不怕卡脖子！中國(guó)第4代核裂變反應(yīng)堆，釷基熔鹽堆有多牛？

60年前，美國(guó)的先進(jìn)技術(shù)曾經(jīng)創(chuàng)下了世界首例！如今再度重啟，進(jìn)度卻落在了我國(guó)后面。

這項(xiàng)技術(shù)，名叫釷基熔鹽堆，是第四代核電站的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。正如比爾·蓋茨所說(shuō)的那樣，中國(guó)的核電站技術(shù)，正在挑戰(zhàn)美國(guó)等國(guó)家的領(lǐng)先地位。

釷基熔鹽堆，到底是什么？它到底有多牛？

釷基熔鹽堆

所謂的堆，指的就是核反應(yīng)堆，也就是整個(gè)核電站的“心臟”。核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它包含了核燃料、慢化劑、冷卻劑、控制系統(tǒng)、反應(yīng)堆容器、屏蔽層等。這里會(huì)進(jìn)行核裂變反應(yīng)，產(chǎn)生能量。同時(shí)又要通過(guò)各種各樣的裝置來(lái)控制反應(yīng)速度，保證核反應(yīng)的平穩(wěn)進(jìn)行，不至于超出承受極限。

目前來(lái)說(shuō)，世界上已經(jīng)研發(fā)成功的核反應(yīng)堆有很多種，主要包含壓水堆、沸水堆、重水堆、氣冷堆、快中子堆等，而熔鹽堆，就是一種新型的核反應(yīng)堆。

說(shuō)它新型，其實(shí)是我們最近剛剛讓它從理論走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。如果說(shuō)起它最早的研究，其實(shí)可以追溯到差不多八十年前！

1940年代末，美國(guó)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室為“核動(dòng)力飛機(jī)”計(jì)劃開(kāi)發(fā)了熔鹽堆原型——ARE（飛行器反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)）。雖然它使用的是鈾燃料，但奠定了熔鹽技術(shù)的基礎(chǔ)。1965年，美國(guó)建成了世界上第一座以釷為燃料循環(huán)的實(shí)驗(yàn)堆——MSRE，這才是真正意義上的“釷基熔鹽堆”。

但美國(guó)的研究并沒(méi)有持續(xù)下去。有專(zhuān)家推測(cè)，大概是冷戰(zhàn)時(shí)期經(jīng)濟(jì)過(guò)于緊張，這種研究又不能直接用來(lái)轟炸蘇聯(lián)，美國(guó)就放棄了這方面的研究。

而在遙遠(yuǎn)的東方，我國(guó)從1970年開(kāi)始啟動(dòng)釷基熔鹽堆的研究，算下來(lái)也有55年的時(shí)間了。由于該項(xiàng)目是當(dāng)年2月8日啟動(dòng)的，所以又被稱(chēng)為“728工程”。

不過(guò)，這項(xiàng)工程確實(shí)非常難，對(duì)當(dāng)時(shí)的我國(guó)來(lái)說(shuō)也確實(shí)力不從心。但728工程也沒(méi)有浪費(fèi)，它促成了我國(guó)的第一座核電站——秦山一期30萬(wàn)千瓦壓水堆。

進(jìn)入21世紀(jì)后，相關(guān)研究再一次被提及，美國(guó)能源部牽頭發(fā)起了第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇。當(dāng)時(shí)論壇上一共提出了六個(gè)候選堆型，熔鹽堆就是其中之一。

從此以后，不只是美國(guó)，法國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)等國(guó)家紛紛展開(kāi)了對(duì)熔鹽堆的研究。而以釷元素為反應(yīng)原料的熔鹽堆最受青睞，這就是所謂的釷基熔鹽堆了。

2011年，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了“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(zhuān)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。

我們都知道，目前的核裂變反應(yīng)，使用的原料普遍是放射性元素鈾-235。可是，釷在自然界占據(jù)絕大多數(shù)的同位素釷-232，放射性極弱，那它是怎么參與核反應(yīng)的呢？

在這種反應(yīng)堆里，科學(xué)家會(huì)首先利用中子進(jìn)行轟擊，使得釷-232轉(zhuǎn)化為釷-233，后者就是放射性元素了，而且半衰期非常短，僅有21.83分鐘。很快，它就會(huì)通過(guò)β衰變變成鏷-233，后者再衰變?yōu)殁?233。這個(gè)鈾-233，就可以作為核燃料使用了。

釷基熔鹽堆的優(yōu)勢(shì)

為什么我們放著已經(jīng)成熟的鈾不用，反而要繞遠(yuǎn)路，拿釷來(lái)制鈾呢？

• 資源含量不同

鈾是一種比較稀有的放射性金屬元素，在地殼中的平均含量只有百萬(wàn)分之二左右。盡管我國(guó)的鈾儲(chǔ)量在世界范圍內(nèi)也不算低，但普遍品位低，埋藏深，開(kāi)采的成本和難度都比較高。

當(dāng)年造原子彈的時(shí)候，我國(guó)就被鈾卡了很久。直到今天，我們的核電站使用的鈾礦，有2/3都依賴(lài)進(jìn)口。

現(xiàn)在，大家一看到“依賴(lài)”“進(jìn)口”這種詞，一下子就會(huì)想到三個(gè)字——卡脖子。一旦未來(lái)某些國(guó)家要跟我們拼命，切斷了對(duì)我國(guó)鈾的輸入，我們的發(fā)展將會(huì)面臨巨大的危機(jī)。

玩過(guò)游戲紅警的人都知道，電廠不能有效運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)面臨的是什么。

但釷不同。目前我國(guó)已探明的釷資源儲(chǔ)量有差不多30萬(wàn)噸，僅次于印度，位居世界第二。而且，我國(guó)的釷分布比較廣泛，有超過(guò)20個(gè)省市區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了釷礦資源。

更重要的是，釷的開(kāi)采難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈾，它甚至只是開(kāi)采稀土?xí)r的伴生副產(chǎn)品。也就是說(shuō)，即使不特意開(kāi)采釷資源，我們也可以通過(guò)開(kāi)采稀土?xí)r的副產(chǎn)品加以“廢物利用”，就能得到釷資源，成本大大降低。

• 安全

核反應(yīng)堆最首要的問(wèn)題，就是安全。有沒(méi)有電放在一邊，最起碼咱們得安全才行。核電站有多危險(xiǎn)，切爾諾貝利和福島都已經(jīng)給出了血淋淋的教訓(xùn)。

而釷基熔鹽堆的好處，就是其中的熔鹽既可以做燃料，又可以充當(dāng)冷卻劑。它不再像傳統(tǒng)核電站一樣使用固體棒，而是反應(yīng)原料在熔鹽中流動(dòng)。這些熔鹽是極難汽化的，所以不需要高壓環(huán)境，這就避免了相關(guān)操作失誤可能帶來(lái)的悲劇。

不僅如此，當(dāng)反應(yīng)堆的溫度過(guò)高的時(shí)候，傳統(tǒng)的核電站可能就會(huì)面臨反應(yīng)速度過(guò)快導(dǎo)致的核事故，而熔鹽堆恰恰相反，其物理性質(zhì)的改變會(huì)抑制反應(yīng)的進(jìn)行。也就是說(shuō)，如果真的特別熱了，它反而就會(huì)停止反應(yīng)了，不容易引發(fā)核事故。

科學(xué)家的研究早就指出，釷這種元素，是不適合用來(lái)做核武器的。這說(shuō)明什么？說(shuō)明它安全啊，拿來(lái)發(fā)電正合適啊！

• 選址自由

另外，傳統(tǒng)的核電站，都需要巨量的水來(lái)降溫。一座百萬(wàn)千瓦級(jí)的常規(guī)核電機(jī)組，每小時(shí)就需要幾千噸冷卻水！一旦斷水，堆芯就有可能過(guò)熱，導(dǎo)致熔毀，釀成災(zāi)難。

那么，哪里可以源源不斷地提供水呢？

顯然，最合適的地方，就是海邊。退而求其次，大河、湖泊的旁邊也可以。目前世界上的核電站，普遍都是這樣選址的。

而釷基熔鹽堆里使用的高溫熔鹽，被稱(chēng)為完美的“熱量搬運(yùn)工”，靠自食其力就能在循環(huán)過(guò)程中帶走多余的熱量，不需要那么多水來(lái)冷卻。

正因?yàn)閿[脫了對(duì)水的依賴(lài)，釷基熔鹽堆可以不再建設(shè)在水邊，以防像福島核電站那樣面臨臺(tái)風(fēng)釀成核事故的風(fēng)險(xiǎn)。比如我國(guó)這座熔鹽，直接就建在了戈壁灘！未來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，釷基熔鹽堆甚至可以建設(shè)在地下，進(jìn)一步避免自然災(zāi)害或者恐怖襲擊導(dǎo)致的核事故。

• 核廢料少

不僅如此，釷基熔鹽堆還能有效解決一個(gè)重大難題——核廢料的處置。

通過(guò)對(duì)核燃料和反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行在線(xiàn)添加和在線(xiàn)分離處理，釷基熔鹽堆的核燃料燃燒非常充分，從而大幅減少核廢料的產(chǎn)生。研究表明，和鈾-235的反應(yīng)堆相比，釷基熔鹽堆的核廢料只有其1/10（有研究甚至說(shuō)是1/1000）左右！

總結(jié)

說(shuō)了這么多，這種釷基熔鹽堆到底有多牛，相信大家就明白了。在可控核聚變走進(jìn)現(xiàn)實(shí)之前，這種第四代核反應(yīng)堆相比于傳統(tǒng)反應(yīng)堆，也算是一種蛻變了。

盡管美國(guó)六十年前曾經(jīng)研究過(guò)，但再次重啟時(shí)，直到今天尚無(wú)官方通報(bào)的任何實(shí)質(zhì)性突破，進(jìn)度和我國(guó)相比已經(jīng)不占優(yōu)勢(shì)了，恰如當(dāng)年的載人登月一樣。

今天的美國(guó)，看樣子已經(jīng)不復(fù)當(dāng)年之勇了。