隨著全球?qū)η鍧崱⒖稍偕茉吹男枨笕找嬖鲩L，科學(xué)家們正日夜不停地尋找各種能源解決方案，以應(yīng)對氣候變化和能源安全的挑戰(zhàn)。在這些解決方案中，科學(xué)家們一致認為核聚變是未來人類的終極能源，但核聚變的實現(xiàn)條件太過于“苛刻”，短時間內(nèi)無法大規(guī)模推廣。針對這一現(xiàn)象，科學(xué)家提出對核反應(yīng)堆進行升級，打造第四代核能系統(tǒng)，作為實現(xiàn)核聚變之前的能源解決方案。
第四代核能系統(tǒng)具有更好的安全性、更強的經(jīng)濟競爭力以及核廢物量少，防止核擴散等優(yōu)點。目前國際上公認的第四代核能系統(tǒng)有六種堆型，它們分別是：氣冷快堆、鉛冷快堆、鈉冷快堆、熔鹽堆、超臨界水堆和高溫氣冷堆。每個堆型設(shè)計參數(shù)各異，但它們都有一個共同目標，助力實現(xiàn)核能更高的安全性以及可持續(xù)性；而在這些堆型中，熔鹽堆憑借高溫、常壓、無停堆在線換料、閉式燃料循環(huán)等多種優(yōu)點集一身，受到科研人員的大力關(guān)注與研究。
1、熔鹽堆—“橫空出世”到“曇花一現(xiàn)”
20世紀40年代末，冷戰(zhàn)的序幕逐漸拉開，美國空軍啟動了核能飛行器推進計劃，尋求制造無限續(xù)航的核動力飛機。為此，美國橡樹嶺國家實驗室ORNL提出了一種緊湊型的高溫核反應(yīng)堆概念設(shè)計——“熔鹽堆”。
即采用U/Th的氟化物燃料，與其他氟鹽組成的熔融冷卻劑一起進行循環(huán)，利用熔鹽的常壓、高沸點、高熱容、高熱導(dǎo)率等特點，在固定的空間尺寸下有效提高核反應(yīng)堆的運行功率，從而更好地適應(yīng)飛行器對于空間尺寸的限制要求。除此之外，“熔鹽堆”還采用在線的燃料處理系統(tǒng)，在不停堆的情況下進行連續(xù)的堆芯換料和廢物處理，這對于飛行器的超長續(xù)航能力也是大有裨益�；谶@些優(yōu)勢，“熔鹽堆”自誕生之日起，便被寄予厚望。但因其戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈的迅速發(fā)展，使核動力轟炸機的研發(fā)失去了軍事應(yīng)用價值, 熔鹽堆的研發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向民用。此后，美國橡樹嶺國家實驗室進行了8 MW的液態(tài)燃料熔鹽實驗堆運行，并認為熔鹽堆具有非常獨特而優(yōu)異的民用動力堆性能，時間來到20世紀70年代，此時正是冷戰(zhàn)的高潮，美國政府認為發(fā)展核武器的重要性遠遠大于發(fā)展民用核能, 因此選擇了研發(fā)適合生產(chǎn)武器用钚、具有軍民兩用前景的鈉冷快堆, 放棄了更適合釷鈾燃料循環(huán)、側(cè)重于民用的熔鹽堆[1]。
美國熔鹽堆的成功和適用于釷基核燃料的特點引起我國科學(xué)界和政府的高度重視。我國科研人員在1971年進行了釷基熔鹽堆零功率冷態(tài)實驗并達到臨界, 通過開展各類臨界實驗, 驗證了熔鹽反應(yīng)堆的理論計算, 取得了熔鹽靜態(tài)與動態(tài)特性、反應(yīng)性及其溫度效應(yīng)和核燃料增殖率等實驗結(jié)果。限于當時的科技水平、工業(yè)能力和經(jīng)濟實力, 我國“728工程”轉(zhuǎn)向了輕水反應(yīng)堆的研發(fā)并最終建成秦山一期核電廠, 自此在世界范圍內(nèi)熔鹽堆研究的國家行為幾乎停止。
2、技術(shù)難點在哪里
熔鹽堆憑借自身中子利用率高，產(chǎn)生的高毒性放射性核素少，避免核擴散成為新一代的核反應(yīng)堆候選堆型，但它也存在一些挑戰(zhàn)，例如：燃料制備困難；ThO2的熔點(3350℃)比UO2(2800℃)高得多,故生產(chǎn)制備固態(tài)釷基燃料元件所需的高密度ThO2和ThO2基混合氧化物(MOX)燃料需要更高的燒結(jié)溫度(>2 000℃)。在釷轉(zhuǎn)換鈾的過程中產(chǎn)生了232U,232U的衰變子核有短壽命強γ輻射的208Tl，給反應(yīng)堆乏燃料的貯存、運輸、后處理、最終的安全處置和燃料的再加工帶來困難。熔鹽具有強烈的腐蝕性，同時堆內(nèi)有很強的中子輻射，因此要開發(fā)一種可用于熔鹽堆的堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料，同時滿足輻射屏蔽與耐腐蝕性能。
3、熔鹽堆—“王者歸來”
針對碳達峰、碳中和這一議題，國際對熔鹽堆的熱情又再一次高。2022年12月美國ThorCon公司和法國必維國際檢驗集團（Bureau Veritas）簽署協(xié)議，將在印尼部署50萬千瓦浮動ThorCon熔鹽堆（TMSR-500）開展技術(shù)評估和后續(xù)開發(fā)合作。
2022年9月29日，英國MoltexFLEX公司推出了一種新型熔鹽堆FLEX。
2022年荷蘭Thorizon公司近期完成1250萬歐元（1240萬美元）的募資。為了推進釷基熔鹽堆研發(fā)，Thorizon未來將與法國歐安諾公司（Orano）和荷蘭核能研究與咨詢集團開展密切合作，并與鮑塞爾核電廠運營商EPZ公司探討在其現(xiàn)有核電廠址建設(shè)首座釷基熔鹽堆的可行性。
面對這一情景，中國也做出相應(yīng)行動。2011年，中科院圍繞國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，部署啟動了首批中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A類)“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)”，計劃用20年左右的時間，在國際上首先實現(xiàn)釷基熔鹽堆的應(yīng)用，同時建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應(yīng)的科技隊伍。專項依托中科院上海應(yīng)用物理所，上海有機所、上海高研院、長春應(yīng)化所、金屬所等10家院內(nèi)外科研單位參與。
2023年6月7日，國家核安全局頒布對甘肅武威的釷基熔鹽堆實驗堆運行許可證，這標志著世界唯一的釷基熔鹽堆正式運行，按照預(yù)定目標，此次運行將為下一步建造更大功率的實驗堆與示范堆提供基礎(chǔ)。
中國對釷基熔鹽堆的研究引起了全世界的關(guān)注，權(quán)威科學(xué)雜志自然專門為此進行了相關(guān)報告。那么中國進行實驗的釷基熔鹽堆有何特別之處？
首先，第四代核反應(yīng)堆之前均使用鈾作為核燃料，在反應(yīng)堆堆內(nèi)一次循環(huán)后就被卸出，不在使用，這樣大大降低了鈾的利用率；釷基熔鹽堆就避免了鈾資源的浪費，它使用釷作為核燃料，利用釷的衰變生成鈾，進行釷鈾的循環(huán)利用。而且，釷資源在地殼的存儲量是鈾的三倍，若完全應(yīng)用，可保證中國電力幾千年的供應(yīng)。另外，我國釷資源儲存世界第二，不怕原材料被卡。我國進行的釷基熔鹽堆實驗不僅在于為下一步提升功率準備，還在于進行核能綜合利用的探索，為工業(yè)制氫，核能海水淡化提供經(jīng)驗基礎(chǔ)。
跨越半個世紀的核能中國夢，熔鹽堆在中國科技工作者的努力下，正在從美好設(shè)想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。
作者：張潤杰
參考文獻
[1] 徐洪杰,戴志敏,蔡翔舟,等.釷基熔鹽堆和核能綜合利用[J].現(xiàn)代物理知識,2018.
江綿恒,徐洪杰,戴志敏.未來先進核裂變能——TMSR核能系統(tǒng)[J].中國科學(xué)院院刊,2012,27(03):366-374.