重鑄美國橡樹嶺核夢想：熔鹽堆卷「釷」重來，40年來的首次實驗或開啟第二核紀元

最近，關於「核」有兩件截然不同的大事，一個讓人頭疼，另一個給人希望。

讓人頭疼的自然是9 月 3 日發生在朝鮮的 6.3 級「核地震」。經過確認之後，此次是朝鮮在其豐溪里核試驗基地進行了一場氫彈地下核爆實驗，這次實驗讓周邊地區再度陷入緊張。

給人希望的則是，自1976 年之後，中斷了 40 年的熔鹽堆研究終於迎來首次實驗：荷蘭核研究及顧問公司（Nuclear Research and Consultancy Group，NRG）於近日進行了釷基熔鹽反應堆實驗。

在這次試驗中，荷蘭核研究及顧問公司使用了一種名為「熔鹽快速反應器」的設備來燃燒釷鹽，理論上還可以消耗目前的鈾裂變反應爐產生的核廢料，將其增殖為新燃料。基於這次測試，研究人員希望可以開發出更穩定、能擴展規模的釷鹽反應爐。

此外，荷蘭核研究及顧問公司還聯合歐盟共同發起了熔鹽堆實驗工程（SALIENT）。團隊很快就通過實驗以驗證釷基核燃料能否會增殖並發生裂變，以及釷基熔鹽堆能否達到反應堆臨界。如果實驗順利，那麼「釷基俱樂部」將再現活力。

今天，我們要分享的就是，「釷」和「熔鹽堆」——這對核能發電領域的黃金搭檔如何在經歷了起伏演進之後，迎來了發展的春天。

明明更安全，但熔鹽堆卻曾被「打入冷宮」

與其他類型的反應堆相比，熔鹽堆的優點一度非常突出。

我們都知道，核能發電的基本原理簡單易懂，那就是靠核反應產生熱能，加熱「水」後用蒸汽推動發電機發電。相比於傳統的化石燃料發電，核燃料的能量密度高是煤的幾百萬倍、污染極低，且實現了二氧化碳零排放。

但是，這種優秀的能源卻始終讓一部分人覺得恐慌，原因無外乎二：

首先是核廢料，由於需要濃縮且燃耗極低，傳統的鈾基熱核反應堆中超過95%的燃料將變成核廢料，而因為含有超鈾元素，其放射毒性周期將長達數萬年，甚至更久。在這一方面，釷基反應堆的優勢巨大，由於不需要濃縮，最終的廢料不到鈾的一半，而放射毒性周期則小於兩百年，因此在核廢料的處理難度上，將有著質的下降。

第二個原因就是事故。其中最為著名的便是1986年的切爾諾貝利核事故以及2011年的日本福島事故。由於高劑量電離輻射無色無味無臭，且殺人於無形的性質，再加上部分放射性元素的超長半衰期，儘管1984年印度波帕爾化學工廠事故造成的人員傷亡較之切爾諾貝利有過之而無不及（死亡約15000人，數十萬人健康受到影響），三十多年過去了，大多數人能記得，就只有這一次，也是唯一一次造成重大人員傷亡的核事故。

圖丨核電站事故

然而，熔鹽堆在安全性方面的優勢就體現出來了：

由於熔鹽既是燃料又是冷卻劑，因此具有天然的負反饋功能。當反應堆溫度過高時，進一步的鏈式反應能夠停止。

熔鹽堆無需加壓，由於本身液態，沒有堆芯熔毀的風險。

相較於目前絕大多數的輕水堆發電站，熔鹽堆由於不需要大量的水作為慢化劑，選址更為自由，甚至可以考慮到放在地下以更大程度減低泄漏事故造成的損害。

看到這裡，你一定好奇，既然熔鹽堆優點這麼多，為什麼一直沒有火起來？

圖丨飛行器核動力引擎

對熔鹽堆的集中研究起始於美國飛行器反應堆實驗（US Aircraft Reactor Experiment，ARE）。1946年，由美國空軍主導ARE的項目，希望研究出「永不疲倦的鐵鳥」——核動力轟炸機。

但最終，美軍還是意識到核動力飛行器可行性太低，而且洲際導彈的迅速發展讓核動力轟炸機失去了軍事價值。1961年核動力飛行器項目終止，熔鹽堆也失去了強有力的靠山。熔鹽堆雖然遭到軍方放逐，但在民用上依然有誘人前景。橡樹嶺實驗室在1965年以ARE為基礎，建成了釷基熔鹽實驗堆（MSR），這個反應堆運行了5年。

然而，就在熔鹽堆進入了成熟發展期的70年代初，美國原子能委員會（AEC）突然削減熔鹽堆的研發經費。其中的原因與當時的冷戰局勢息息相關。

當時正值冷戰高潮，發展核武器的重要性遠遠大於發展民用核能，在核能研究規模整體收縮的背景下，適合生產核武原料鈈的快中子增殖堆佔據了穩固的政治地位。而熔鹽堆技術又與主流反應堆技術鮮有相似之處，最終，性能好、設計巧、側重於民用但「政治不正確」的熔鹽堆被打入冷宮。

那個時期，風頭正勁的是壓水堆。壓水堆備受青睞並非由於水本身有什麼特別優越的性能，只不過是因為被譽為「核動力海軍之父」的海曼·里科弗（Admiral Hyman Rickover）當時選擇了以鈾-235為燃料的壓水堆作為「鸚鵡螺」號核潛艇的動力裝置。而一旦壓水堆技術站穩腳跟，政府就不願意再耗費多餘的財力研究其它堆型了。

於是，1976年，熔鹽堆計劃被尼克松政府叫停。這一停就是40多年。此後，除科學家在印度卡帕坎建設一個測試用的反應爐外，熔鹽堆的相關研究也漸漸沉寂。

因歷史原因惜敗鈾的釷燃料

而熔鹽堆的好搭檔——釷燃料被冷落的原因則稍微複雜一些，但歸根結底，就是在和鈾燃料的競爭中，失敗了，而且敗的有點冤。

從核燃料來看，目前地球上具有商業價值的易裂變元素有3種：鈾-235、鈾-233和鈈-239。易裂變元素能夠通過吸收中子（主要是能量較低的熱中子）以開始鏈式反應。

自然界存在的易裂變元素只有鈾-235，釷-232和鈾-238則需要吸收快中子進行增殖後，才能進行裂變。

圖丨鈾礦

本來，釷相較於鈾來說，具有很多優勢。首先是儲量上的碾壓，地球上已探明的釷資源的儲量至少是鈾的3到4倍。以目前的用電量來估算，現有的釷資源至少可以支持全球一千年的用電量。我國目前已知的釷礦就超過28萬噸。

其次，鈾裂變會產生很多半衰期較長的超鈾元素，如鈈（Pu）、鎇（Am）、鎿（Np）、鋦（Cm）等。這些核廢料的處理一直是個棘手的問題。釷鈾燃料循環產生的鈈和長壽命次錒系核素要少得多。

圖丨釷礦

此外，釷及其氧化物具有耐輻射、耐高溫、導熱係數高等特性，這樣反應堆就能在更高溫度下運行，獲得較深的燃耗，即產生更少的核廢料。

最後還有一點，這既是釷的優點也是它的「缺點」：釷不適用於製造核武器，是理想的民用核燃料，有助於防止核擴散。不幸的是，也就是因為這一點，導致了釷在與鈾的核燃料之爭中「全面落敗」。「無法/難以製作核武器」成為了釷基燃料被冷落的歷史原因。

再加上比如釷-232增殖來的鈾-233雖然是一種極好的裂變材料，但同時具有比鈾-235高得多的輻射性，會增加燃料棒的製作難度等技術原因，導致了釷燃料在「冷宮」中一呆就是半個世紀。

卷「釷」重來

轉機出現在21世紀初。

當時，美國能源部牽頭髮起第四代反應堆國際論壇（Generation IV International Forum，GIF），對反應堆提出了更高的經濟性、安全性、核廢料最小化和防擴散性要求，並篩選出了 6種最有希望的第四代候選堆型：熔鹽堆（MSR）、超高溫堆（VHTR）、超臨界水冷堆（SCWR）、氣冷快堆（GFR）、鉛冷快堆（LFR）和鈉冷快堆（SFR）。第四代反應堆系統不僅包括反應堆技術的研究，對核燃料的前處理和後處理也同樣重視，其目標是在 2030 年開發出一種或若干種革新性核能系統。

上世紀 50 年代至今，核能系統的發展已經歷經4代。第一代反應堆是 1950 年代中至 1960 年代出建造的原型反應堆。第二代反應堆是 1970 年代，為了應對能源危機、減少對石油的依賴而專門建造的商用堆。目前多數核電站都是第二代反應堆。1979年美國三哩島核事故核1986年的烏克蘭切爾諾貝利核事故為核電安全敲響警鐘。為了增加反應堆的固有安全性，設計了更加先進的第三代輕水反應堆。

圖丨福島現場

在四代堆的6種堆型中，熔鹽堆是唯一的液態燃料反應堆，因此不存在堆芯熔毀問題（日本福島核事故與此有關，儘管設計上的嚴重失誤是罪魁禍首），在緊急狀態下液態燃料可以排放到底部的儲存罐內。

此外，熔鹽可以既作為冷卻劑也作為燃料，因此不需要製作燃料組件，故而可實現在線加料以及在線後處理，便於監控和管理。另外由於熔鹽的比熱容較加壓水高，可以使反應堆迴路設計得更緊湊。

由於熔鹽堆無需固體燃料，很多科研團隊又重新將目光投向了釷基熔鹽堆，事實上，這樣的組合不僅可行，而且效果可能還非常不錯：

首先從反應本身來看，釷基熔鹽堆可以形成閉式燃料循環：一方面釷-232可以增殖為鈾-233為反應堆補充燃料，另一方面裂變產物在分離器中可以分離出可利用的燃料併除去有毒的嬗變元素，然後在重新添加到熔鹽燃料中。

其次在材料上，不鏽鋼在熔融的氟化鈾與氟化釷中是穩定的，具有很好的相容性。這兩種氟化鹽在熔融狀態下具有很低的蒸汽壓力，傳熱學性和化學穩定性很好，因此反應堆結構所受的機械應力較小。

更重要的一點是，熔鹽堆在40年前就成功運行了5年，積累了很多經驗。相比於其它一些先進堆型，熔鹽堆又獲得了歷史積累上的優勢。

而從原理上分析，釷基熔鹽堆的實現難度和技術瓶頸都比所有人心目中的終極能源——核聚變要小很多。如果這個技術進入成熟期，那麼至少在未來數百年里，人類將無需再為能源問題擔憂。

儘管目前離開這個成熟期還相當距離，但是荷蘭突破長達 40 年的空窗期，成功使用釷鹽進行核裂變測試，讓人類朝這個目標又邁出了紮實的一步。

而荷蘭的這次最新實驗其實並不是熔鹽堆「復興」的起點。從本世紀初開始，世界範圍內爆發出熔鹽堆研究的新氣象，美國、法國、俄羅斯、日本、韓國、中國等國家紛紛開啟示了熔鹽堆研究計劃。

熔鹽堆再次得到關注，正是因為新世紀對於核能要求觀念的轉變，防核擴散成為民用核能發展的主要制約問題，而釷基熔鹽堆不能用於生產鈈的特點成為了一大優點。

中國科學家們也正在加緊釷基熔鹽堆的研究步伐。目前，美國橡樹嶺國家實驗室與中國核電正在上海合作研究釷基熔鹽堆，並有望於2035年建成100MW液態燃料釷基熔鹽示範堆。

我們正在見證，美國橡樹嶺科學家們半個世紀前的夢想正得以重鑄。

開啟「第二核紀元」？

1942年，費米在芝加哥大學首次實現人工鏈式核反應，開啟了核能發展的序幕。

美國核動力奠基人艾爾文·溫伯格（A.M.Weinberg）就在《第一核紀元》中寫道，在核能發展初期，反應堆的形成存在各種可能性：燃料有鈾-233，鈾-235，鈈-239；冷卻劑有輕水，重水，氣體，液態金屬；慢化劑有輕水，重水，鈹，石墨。釷資源的「先天優勢」似乎更能物盡其用，造福人類。但放眼望去，如今的核能帝國是以鈾為燃料的輕水堆的「天下」。

圖丨艾爾文·溫伯格

溫伯格將核能的應用比作「浮士德式的靈魂交易」：核能為人類提供了取之不盡的新能源；同時，人類為了享用這種能源必須要建立一種前所未有的社會結構。

但現實卻並沒有發展成當初科學家所預想的那種烏托邦式願景。核能反而以毀滅者的姿態登上歷史舞台，它的政治意義已經變得遠高於經濟意義。相比於技術難題，政客的冷落與公眾的質疑才是核能發展的更大阻礙。

浮士德最終贖回了自己的靈魂，那我們是否會迎來屬於自己的輝煌的第二核紀元？

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