釷基熔鹽堆——低調(diào)的中國(guó)“黑科技”

蘇更林

看到“釷基熔鹽堆”這個(gè)陌生的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，你也許會(huì)說(shuō)：聽(tīng)說(shuō)過(guò)壓水堆和重水堆，怎么沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)熔鹽堆？聽(tīng)說(shuō)過(guò)鈾和钚燃料，怎么沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)釷燃料？誕生于戈壁大漠河西走廊的釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆，能否成長(zhǎng)為我國(guó)第四代核電技術(shù)的一張“王牌”？

釷作為宇宙中最原始的核素之一，以化合物的形式存在于獨(dú)居石、釔釷石和釷石等礦石之中。1828年，瑞典化學(xué)家貝采里烏斯在礦石中發(fā)現(xiàn)了一種未知元素?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，這種礦石的主要成分為硅酸釷（ThSiO4）。他將該未知元素命名為Thorine，名稱取自古代北歐雷神（Thor）之名。釷的元素名稱和符號(hào)為Thorium（Th）。

由于釷元素多以氧化物形式存在于礦石之中，通常與稀土金屬和鉿等金屬的氧化物共生，分離純化非常困難。貝采里烏斯曾做過(guò)分離提純的嘗試，但得到的金屬釷仍然不純。后來(lái)，人們利用電解法才制備了比較純的金屬釷。

真正為釷帶來(lái)應(yīng)用轉(zhuǎn)機(jī)的是它的發(fā)光性。1885年，奧地利化學(xué)家和工程師韋爾斯巴赫在研究稀土元素時(shí)，發(fā)現(xiàn)浸漬有硝酸釷和硝酸鈰混合物的織物在被氣體火焰加熱時(shí)會(huì)發(fā)出明亮的光芒。這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于提高當(dāng)時(shí)普遍使用的照明工具—煤氣燈的光效意義重大。韋爾斯巴赫把織物浸泡在含99%硝酸釷和1%硝酸鈰的溶液中，然后用其制成燈罩，可使煤氣燈的光亮大增。原來(lái)，用這種特殊織物制成的燈罩，其中的纖維成分在煤油蒸氣噴嘴的火焰上炭化之后，會(huì)留下一個(gè)網(wǎng)格狀的骨架。這個(gè)骨架是由吸附在纖維上的硝酸釷和硝酸鈰轉(zhuǎn)化而來(lái)，成分主要為二氧化釷（熔點(diǎn)3220±50℃）和二氧化鈰（熔點(diǎn)2600℃）。二氧化釷被煤氣火焰加熱可發(fā)出白色明亮的光芒。

即便到了20世紀(jì)，電氣照明發(fā)明之后，這種煤氣燈罩仍然使用了許多年。在某些電子器件（如電子管、光電管等）中，釷還被應(yīng)用于鎢釷燈絲、熱離子發(fā)射材料以及光電子材料。

20世紀(jì)50年代，釷的產(chǎn)量大約有90%都用在了煤氣燈罩的制造上。后來(lái)，隨著人們對(duì)于釷放射性的認(rèn)識(shí)，含有二氧化釷的煤氣燈罩才逐漸被淘汰，被氧化釔和氧化鈰混合物織物燈罩所取代。

鎂釷合金是近幾十年才推出的一種合金材料，主要用于制造導(dǎo)彈和航天器零件。釷含量通常只有2%～3%，但能提高鎂合金的高溫性能，并改善合金的鑄造性能。釷還被應(yīng)用于高品質(zhì)光學(xué)透鏡、催化劑、特種玻璃、熱敏電阻以及高溫陶瓷等領(lǐng)域。

1944年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了德國(guó)放射化學(xué)家和物理學(xué)家哈恩。他與邁特納等人于1938年發(fā)現(xiàn)了鈾原子核裂變現(xiàn)象。盡管科學(xué)界對(duì)此次諾貝爾獎(jiǎng)的公正性提出了質(zhì)疑，但科學(xué)家還是意識(shí)到了“核裂變”的非凡意義，它把人類帶到了一個(gè)嶄新的原子能時(shí)代。

幾千年來(lái)，從燒火做飯到金屬冶煉，從蒸汽機(jī)到機(jī)動(dòng)車……人們所使用的能源基本上屬于化學(xué)能，即圍繞原子核運(yùn)行的電子的能量。至于原子核里的能量，還是一個(gè)尚未被開(kāi)拓的“荒原”。核裂變的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑為人類在原子核內(nèi)的“拓荒”指明了方向，是人類能源利用史的一個(gè)里程碑！然而，核裂變?cè)谲娛律系膽?yīng)用，還是讓世界感受到了巨大的“切膚之痛”。

1945年，正當(dāng)人們驚嘆核裂變的神奇之時(shí)，美軍向日本投下了兩枚原子彈。其中，投在廣島的“小男孩”是一顆鈾彈，利用了鈾—235的核裂變。投到長(zhǎng)崎的“胖子”是一顆钚彈，利用了钚—239的核裂變。

對(duì)釷基熔鹽堆的研究起始于1946年美國(guó)空軍主導(dǎo)的ARE（飛行器反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)的縮寫）項(xiàng)目，目的是造出核動(dòng)力轟炸機(jī)。1954年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建造了2.5兆瓦的ARE。后來(lái)，隨著洲際導(dǎo)彈的發(fā)展，該項(xiàng)目被終止。

1963年，核素釷的民生應(yīng)用進(jìn)入試驗(yàn)階段。1965年，橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室在ARE的基礎(chǔ)上建成了8兆瓦釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆（MSRE），這是世界上第一座建成并運(yùn)行的液態(tài)燃料反應(yīng)堆，也是唯一成功實(shí)現(xiàn)釷基核燃料運(yùn)行的反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆大約運(yùn)行了5年，積累了豐富的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。 1971年，橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室又完成了1吉瓦釷基熔鹽增殖堆（MSBR）的概念設(shè)計(jì)。就在釷基熔鹽堆風(fēng)頭正勁之時(shí)，美國(guó)突然削減了熔鹽堆的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，其中的原因可能與當(dāng)時(shí)的冷戰(zhàn)局勢(shì)有關(guān)。

在當(dāng)時(shí)的美國(guó)，發(fā)展核武器的動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于民用核能。1976年，美國(guó)集中力量發(fā)展鈉冷快堆，看中的是核燃料的利用。由于釷不適宜生產(chǎn)武器級(jí)核燃料，釷基熔鹽堆從此被打入了“冷宮”。

其實(shí)，中國(guó)在20世紀(jì)70年代初就開(kāi)始了釷基熔鹽堆的研究。1970年2月8日，我國(guó)啟動(dòng)“728工程”。最初，這是一項(xiàng)以釷基熔鹽堆為研究對(duì)象的科技工程，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)25兆瓦釷基熔鹽堆。原上海原子核研究所建成了零功率（冷態(tài)）熔鹽堆。

1972年，“728工程”因任務(wù)調(diào)整改為“輕水堆”。中國(guó)大陸第一座核電站—秦山一期30萬(wàn)千瓦壓水堆就是從這里起步的，“728”也已成為秦山核電站的代號(hào)。

21世紀(jì)的曙光初現(xiàn)，就讓熔鹽堆迎來(lái)了命運(yùn)的大轉(zhuǎn)折。由美國(guó)能源部牽頭發(fā)起的第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇，為第四代核反應(yīng)堆篩選出了具有發(fā)展前途的六大候選堆型。其中，熔鹽堆作為唯一的液態(tài)燃料堆型而受到青睞。

作為熔鹽堆的好搭檔，釷燃料也迎來(lái)了一個(gè)快速發(fā)展的機(jī)遇期。從21世紀(jì)初開(kāi)始，中國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)等國(guó)家紛紛布局釷基熔鹽堆研究計(jì)劃。2011年，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)“未來(lái)先進(jìn)核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。甘肅武威成為我國(guó)釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)的試驗(yàn)與示范應(yīng)用基地。

在核反應(yīng)堆中，中子是打開(kāi)原子核并釋放巨大核能的“鑰匙”。在熱中子反應(yīng)堆中，主要是以鈾—235作為核燃料進(jìn)行裂變發(fā)電的（如圖1）。熱中子反應(yīng)堆是指用慢化劑讓快中子減速為熱中子（或稱慢中子）而進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置。

為何要讓快中子減速？這是因?yàn)?，裂變產(chǎn)生的快中子由于速度太快而難以引起鈾—235的裂變，因此需要經(jīng)過(guò)慢化劑減速之后才能引起鈾—235裂變釋放出能量。

熱中子反應(yīng)堆存在一個(gè)問(wèn)題，那就是不能利用占天然鈾數(shù)量絕對(duì)多數(shù)的鈾—238。在天然鈾中，鈾—235僅占0.714%，而鈾—238占到了99.2%以上。鈾—238不能在熱中子的作用下發(fā)生裂變，因此不能被熱中子堆利用。為了讓鈾—238“變廢為寶”，快中子增殖反應(yīng)堆便應(yīng)運(yùn)而生了?？熘凶釉鲋撤磻?yīng)堆可以通過(guò)鈾—238來(lái)實(shí)現(xiàn)核燃料的增殖，從而把鈾資源的利用率提高到60%～70%。

鈾—238雖然不是實(shí)用的核燃料，但它在快中子的轟擊下可以變?yōu)轭小?39（如圖2）。钚—239是比鈾—235還要理想的核燃料，可以吸收一個(gè)快中子而發(fā)生裂變，裂變釋出的能量可變成熱量被利用?？於芽梢猿掷m(xù)地把鈾—238轉(zhuǎn)化為易裂變的钚—239等，從而實(shí)現(xiàn)裂變材料的不斷增殖。

自然界存在的釷幾乎全部是釷—232。釷—232在核反應(yīng)堆中的表現(xiàn)與鈾—238非常類似，也不是實(shí)用的核燃料，不易發(fā)生裂變反應(yīng)，但它能吸收慢中子最終變成鈾—233。盡管鈾—233在自然界并不存在，但它是一種優(yōu)秀的易裂變核燃料。

具體的轉(zhuǎn)化過(guò)程為：釷—232吸收中子后首先轉(zhuǎn)變?yōu)殁Q—233；釷—233的半衰期只有21.83分鐘，會(huì)通過(guò)β衰變變成鏷—233；鏷—233的半衰期為27天，再通過(guò)β衰變變?yōu)殁櫋?33。鈾—233可以像鈾—235和钚—239一樣用作核燃料。鈾—233在核裂變時(shí)發(fā)出的中子又可以進(jìn)一步撞擊釷—232，從而使這個(gè)循環(huán)過(guò)程得以持續(xù)。盡管在釷基反應(yīng)堆中“燃燒”的是鈾—233，但消耗的是釷—232。這就是釷—鈾循環(huán)的基本原理。

我國(guó)為什么要選擇釷基熔鹽堆？這與釷基熔鹽堆的固有優(yōu)勢(shì)是分不開(kāi)的。

熔鹽堆技術(shù)之所以被納入第四代核能系統(tǒng)候選堆型，并且“以釷代鈾”得到許多國(guó)家的響應(yīng)，其深層次原因恐怕與釷基熔鹽堆的安全性密切相關(guān)。

1979年3月28日發(fā)生的美國(guó)三里島核電站事故，1986年4月26日發(fā)生的蘇聯(lián)切爾諾貝利核泄漏事故，以及2011年3月11日發(fā)生的日本福島核電站事故，難免讓人產(chǎn)生恐核心理，以至于“談核色變”。

核電發(fā)展該何去何從？歷史上發(fā)生的核事故無(wú)時(shí)不在向人們敲響警鐘！我們知道，熔鹽作為一種載熱劑已經(jīng)在太陽(yáng)能集熱、大規(guī)模熱能存儲(chǔ)以及大功率電池等方面發(fā)揮了重要作用。如今，它又來(lái)充當(dāng)核反應(yīng)堆的冷卻劑角色，因此在核安全方面被賦予了新的含義。

也許，釷并不是熔鹽堆的獨(dú)有核燃料，然而釷基熔鹽堆的組合更符合人們對(duì)核安全的追求。釷基熔鹽堆中的熔鹽既可作為燃料（產(chǎn)生熱量）又可充當(dāng)冷卻劑（傳遞熱量）。通常使用熔融的氟化物或氯化物鹽作為冷卻劑，因其傳熱性能好和穩(wěn)定性強(qiáng)而具有較高的熱效率。并且，釷基熔鹽堆允許在低壓和高溫條件下工作，無(wú)需使用沉重而昂貴的壓力容器，因此可提高其安全性能和降低運(yùn)營(yíng)成本。熔鹽反應(yīng)堆的固有安全性好，因無(wú)需燃料組件而杜絕了堆芯熔化事故的發(fā)生。熔鹽的低蒸氣壓以及在環(huán)境溫度中的迅速凝固，則可以防止核泄露事故的發(fā)生。釷基熔鹽反應(yīng)堆還可以建在地下，因此可以有效避免恐怖襲擊以及自然災(zāi)害可能造成的影響。

釷基熔鹽堆基于釷—鈾燃料循環(huán)的工作原理，具有固有的防核擴(kuò)散的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)核反應(yīng)堆所產(chǎn)生的核廢料中，因存在大量的核燃料钚—239，有核擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。釷基熔鹽堆很早就因不適于生產(chǎn)武器級(jí)核燃料而被打入“冷宮”，恰恰說(shuō)明釷基熔鹽堆只能用于核能發(fā)電。

對(duì)于核電廠來(lái)說(shuō)，核廢料的處置也是一個(gè)大問(wèn)題。釷基熔鹽堆可以對(duì)核燃料和反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行在線添加和在線分離處理，因此核燃料的燃燒十分充分，核廢料也可以做到最少化。相較于目前使用鈾—235的反應(yīng)堆，釷基熔鹽堆的廢料只有其千分之一。

釷在自然界的分布要比鈾豐富得多，儲(chǔ)量大體上為鈾的4倍。目前，我國(guó)已探明的釷資源儲(chǔ)量約為30萬(wàn)噸，僅次于印度，排在世界第二位，廣泛分布在全國(guó)20多個(gè)省市和地區(qū)。其中，包頭白云鄂博礦的釷資源儲(chǔ)量就占據(jù)了全國(guó)總儲(chǔ)量的80%左右。白云鄂博礦中的釷主要以氟碳鈰礦和獨(dú)居石形式存在，當(dāng)然也存在其他的礦藏形式。鈾是一種極為稀有的放射性金屬元素，在地殼中的平均含量?jī)H為百萬(wàn)分之二。盡管我國(guó)擁有豐富的鈾資源，但其中大部分屬于非常規(guī)鈾，存在品位低、埋藏深、成本高等方面的劣勢(shì)。

幾十年來(lái)，我國(guó)基于鈾的核工業(yè)取得了巨大的成功，龐大的核工業(yè)體系對(duì)鈾的需求與日俱增。我國(guó)釷資源儲(chǔ)量豐富，開(kāi)采起來(lái)也比較容易，開(kāi)采成本也會(huì)低一些，因此，做好釷資源的合理利用無(wú)疑具有重要的戰(zhàn)略意義。并且，釷基熔鹽堆采用無(wú)水冷卻技術(shù)，大大降低了對(duì)水的依賴，因此在選址方面具有很大的靈活性，在內(nèi)陸地區(qū)，甚至在沙漠干旱地區(qū)也能建廠。釷基熔鹽堆除了高效率發(fā)電之外，還可以把熱能應(yīng)用于高溫制氫、民用取暖以及其他工業(yè)領(lǐng)域。

釷作為自然界迄今發(fā)現(xiàn)的能量密度最高的元素之一，在世界未來(lái)能源格局中必將占有一席之地。有人預(yù)測(cè)，如果世界蘊(yùn)藏的釷資源能夠得以充分利用，那么足以支撐世界數(shù)千年的能源需求。

甘肅武威—一片被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍的綠洲—簡(jiǎn)直就像鑲嵌在古絲綢之路上的一顆“寶石”。在武威民勤縣紅沙崗工業(yè)園區(qū)啟動(dòng)的以釷為燃料的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)堆，將是中國(guó)把釷基熔鹽堆推向商業(yè)化的起點(diǎn)。擱淺半個(gè)世紀(jì)的“釷核夢(mèng)”，將在這里“圓夢(mèng)”……

2020年2月19日，建在上海嘉定園區(qū)的釷基熔鹽堆縮比仿真裝置（TMSR—SF0），調(diào)試工作取得重大進(jìn)展。這是為2兆瓦液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆（TMSR—LF1）服務(wù)的預(yù)研裝置。

2020年12月18日，2兆瓦液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆啟動(dòng)堆本體離線安裝，首套工藝設(shè)備投入運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)首爐冷卻鹽出料。這是實(shí)驗(yàn)堆工程建設(shè)的一大重要進(jìn)展，標(biāo)志著2兆瓦液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆進(jìn)入全面建造階段。

我國(guó)堅(jiān)持釷基液態(tài)燃料熔鹽堆和釷基固態(tài)燃料熔鹽堆同步推進(jìn)的發(fā)展戰(zhàn)略，兼顧釷資源高效利用與核能綜合利用。近期目標(biāo)是建成2兆瓦液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆和10兆瓦固態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆。液態(tài)燃料熔鹽堆適合于釷—鈾循環(huán)高效發(fā)電，固態(tài)燃料熔鹽堆則適合于核能制氫、節(jié)能減排等核能綜合利用。

按照規(guī)劃，建設(shè)實(shí)驗(yàn)堆只是釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)的起步階段，主要任務(wù)是建設(shè)一個(gè)完善的研究平臺(tái)系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究。要把釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)的美好愿景變成現(xiàn)實(shí)圖景，還需要完成實(shí)驗(yàn)堆到研究堆，再到示范堆和商化推廣堆的“多級(jí)跳”。

在發(fā)展階段，要建設(shè)釷基熔鹽堆中試系統(tǒng)，全面解決相關(guān)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。在突破階段，要建設(shè)工業(yè)示范級(jí)釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)，解決相關(guān)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，并突破關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小型模塊化釷基熔鹽堆的產(chǎn)業(yè)化。至于商化應(yīng)用，則需要建設(shè)吉瓦級(jí)的釷基熔鹽堆發(fā)電站。

從中國(guó)發(fā)出第一度核電，到“華龍一號(hào)”走出國(guó)門，我國(guó)只用了50年就躋身世界第三代核電技術(shù)前列。面對(duì)第四代核電技術(shù)的挑戰(zhàn)，我們期待釷基熔鹽堆輸出的清潔電力能早日惠及華夏大地，那是中國(guó)“釷核夢(mèng)”的夢(mèng)圓之時(shí)，也是“中國(guó)模式”引領(lǐng)核能新紀(jì)元之日。