隨著全球?qū)η鍧�、可再生能源的需求日益增長(zhǎng)，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(duì)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(rèn)為核聚變是未來(lái)人類(lèi)的終極能源，但核聚變的實(shí)現(xiàn)條件太過(guò)于“苛刻”，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法大規(guī)模推廣。針對(duì)這一現(xiàn)象，科學(xué)家提出對(duì)核反應(yīng)堆進(jìn)行升級(jí)，打造第四代核能系統(tǒng)，作為實(shí)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(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力以及核廢物量少，防止核擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)際上公認(rèn)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(gè)堆型設(shè)計(jì)參數(shù)各異，但它們都有一個(gè)共同目標(biāo)，助力實(shí)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(wú)停堆在線換料、閉式燃料循環(huán)等多種優(yōu)點(diǎn)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(jì)40年代末，冷戰(zhàn)的序幕逐漸拉開(kāi)，美國(guó)空軍啟動(dòng)了核能飛行器推進(jìn)計(jì)劃，尋求制造無(wú)限續(xù)航的核動(dòng)力飛機(jī)。為此，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室ORNL提出了一種緊湊型的高溫核反應(yīng)堆概念設(shè)計(jì)——“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(jìn)行循環(huán)，利用熔鹽的常壓、高沸點(diǎn)、高熱容、高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，在固定的空間尺寸下有效提高核反應(yīng)堆的運(yùn)行功率，從而更好地適應(yīng)飛行器對(duì)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(jìn)行連續(xù)的堆芯換料和廢物處理，這對(duì)于飛行器的超長(zhǎng)續(xù)航能力也是大有裨益�；谶@些優(yōu)勢(shì)，“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(dòng)力轟炸機(jī)的研發(fā)失去了軍事應(yīng)用價(jià)值, 熔鹽堆的研發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向民用。此后，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了8 MW的液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆運(yùn)行，并認(rèn)為熔鹽堆具有非常獨(dú)特而優(yōu)異的民用動(dòng)力堆性能，時(shí)間來(lái)到20世紀(jì)70年代，此時(shí)正是冷戰(zhàn)的高潮，美國(guó)政府認(rèn)為發(fā)展核武器的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guó)熔鹽堆的成功和適用于釷基核燃料的特點(diǎn)引起我國(guó)科學(xué)界和政府的高度重視。我國(guó)科研人員在1971年進(jìn)行了釷基熔鹽堆零功率冷態(tài)實(shí)驗(yàn)并達(dá)到臨界, 通過(guò)開(kāi)展各類(lèi)臨界實(shí)驗(yàn), 驗(yàn)證了熔鹽反應(yīng)堆的理論計(jì)算, 取得了熔鹽靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性、反應(yīng)性及其溫度效應(yīng)和核燃料增殖率等實(shí)驗(yàn)結(jié)果。限于當(dāng)時(shí)的科技水平、工業(yè)能力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力, 我國(guó)“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(guó)家行為幾乎停止。
2、技術(shù)難點(diǎn)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(kuò)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(diǎn)(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(guò)程中產(chǎn)生了232U,232U的衰變子核有短壽命強(qiáng)γ輻射的208Tl，給反應(yīng)堆乏燃料的貯存、運(yùn)輸、后處理、最終的安全處置和燃料的再加工帶來(lái)困難。熔鹽具有強(qiáng)烈的腐蝕性，同時(shí)堆內(nèi)有很強(qiáng)的中子輻射，因此要開(kāi)發(fā)一種可用于熔鹽堆的堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)滿(mǎn)足輻射屏蔽與耐腐蝕性能。
3、熔鹽堆—“王者歸來(lái)”
針對(duì)碳達(dá)峰、碳中和這一議題，國(guó)際對(duì)熔鹽堆的熱情又再一次高。2022年12月美國(guó)ThorCon公司和法國(guó)必維國(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)（Bureau Veritas）簽署協(xié)議，將在印尼部署50萬(wàn)千瓦浮動(dòng)ThorCon熔鹽堆（TMSR-500）開(kāi)展技術(shù)評(píng)估和后續(xù)開(kāi)發(fā)合作。
2022年9月29日，英國(guó)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(wàn)歐元（1240萬(wàn)美元）的募資。為了推進(jìn)釷基熔鹽堆研發(fā)，Thorizon未來(lái)將與法國(guó)歐安諾公司（Orano）和荷蘭核能研究與咨詢(xún)集團(tuán)開(kāi)展密切合作，并與鮑塞爾核電廠運(yùn)營(yíng)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(duì)這一情景，中國(guó)也做出相應(yīng)行動(dòng)。2011年，中科院圍繞國(guó)家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，部署啟動(dòng)了首批中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(A類(lèi))“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)”，計(jì)劃用20年左右的時(shí)間，在國(guó)際上首先實(shí)現(xiàn)釷基熔鹽堆的應(yīng)用，同時(shí)建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應(yīng)的科技隊(duì)伍。專(zhuān)項(xiàng)依托中科院上海應(yīng)用物理所，上海有機(jī)所、上海高研院、長(zhǎng)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(guó)家核安全局頒布對(duì)甘肅武威的釷基熔鹽堆實(shí)驗(yàn)堆運(yùn)行許可證，這標(biāo)志著世界唯一的釷基熔鹽堆正式運(yùn)行，按照預(yù)定目標(biāo)，此次運(yùn)行將為下一步建造更大功率的實(shí)驗(yàn)堆與示范堆提供基礎(chǔ)。
中國(guó)對(duì)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(zhuān)門(mén)為此進(jìn)行了相關(guān)報(bào)告。那么中國(guó)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(fèi)，它使用釷作為核燃料，利用釷的衰變生成鈾，進(jìn)行釷鈾的循環(huán)利用。而且，釷資源在地殼的存儲(chǔ)量是鈾的三倍，若完全應(yīng)用，可保證中國(guó)電力幾千年的供應(yīng)。另外，我國(guó)釷資源儲(chǔ)存世界第二，不怕原材料被卡。我國(guó)進(jìn)行的釷基熔鹽堆實(shí)驗(yàn)不僅在于為下一步提升功率準(zhǔn)備，還在于進(jìn)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(yàn)基礎(chǔ)。
跨越半個(gè)世紀(jì)的核能中國(guó)夢(mèng)，熔鹽堆在中國(guó)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(shí)。
作者：張潤(rùn)杰
參考文獻(xiàn)
[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(shí),2018.
江綿恒,徐洪杰,戴志敏.未來(lái)先進(jìn)核裂變能——TMSR核能系統(tǒng)[J].中國(guó)科學(xué)院院刊,2012,27(03):366-374.