核能作为清洁能源，发展到今天却遇到了”生死攸关“的问题，虽然各国都在寻找新的技术路线，我国的第三代核电也领先全球，但是始终都要面对一个问题：由于核反应发电的铀235不够用了！相关科学家预计按照现在的速度，最多只够人类使用100年。另外，随着切尔洛贝利核电站、福岛核电站出现事故，民众对核能利用产生的畏惧之情。

那么，作为清洁高效的新型能源，没有铀235，我们只能放弃核能吗？科学家们又是如何解决铀235短缺问题？为何使用钍（tǔ）反应堆替代十分理想，而早年间欧美却放弃了？

铀不够用，核能发电怎么办？

据相关数据统计，目前，全球已明确发现的铀矿大约是700多万吨，其中铀235的占比约为0.7%，铀238占比为99.275%，虽然它们之间只有3个中子的差别，但是铀235就是核燃料，而铀238就是核废料。

这样计算出来，铀235全球储量也就只有4.9万吨，按照我国秦山核电站，每年发电500亿千瓦时，消耗的铀235在5吨左右，即使全球铀235都用在发电上，也只够秦山核电站使用1万年。

但是，随着各国对新能源的需求不断增加，大量的核电站被建造出来，这就迫切需要解决铀235不足的问题，科学家们也尝试使用丰富储量的铀238来代替铀235，衍生出了新的新的快中子增殖反应堆技术，这是以快中子轰击铀238，从而引起裂变核成铀-235或钚-239等裂变链式反应的堆型。

要实现这个变化技术原理上可行，但是实践起来十分困难，尽管人类已经研究了几十年，但是涉及这些增殖反应堆的复杂技术，尚未被充分应用于可节省投资的发电。

历史上，我国被称为“贫铀国”，著名地质学家李四光不相信，先是找出了油井，紧接着就接过了找铀矿的重任，其实李四光早有准备，1949年回国时，他就带回一台伽马射线仪，可以探测铀矿射线，准确定位地下铀矿。1955年1月15日，我国的第一块铀矿石从广西富钟县被发现，然后带到了中南海。

到目前为止，我国已探明大小铀矿200多个,探明储量为10万吨，2012年内蒙古又发现了大型铀矿，预估储量为5万吨，这使得我国扔掉了“贫铀国”的帽子，跻身于世界9大产铀国之列，国际原子能机构(iaea)预测中国可能的铀储量为177万吨。

既便如此，根据何祚庥院士的测算，如果我国要实现“2050 年核电达到 4 亿千瓦以上”的既定目标，将至少面临“高达 400 万吨天然铀可采储量”的短缺，这个数字已经占到全世界铀资源总储量的 72%。

这就亟需我们两条腿走路：一是继续寻找铀矿资源，精细化使用铀矿，提高使用效率；二是，寻找铀235的替代产品。

实际上，核能发电一直没有脱离“烧开水”这个原理，都是在利用核裂变过程中产生的热能来“烧开水”，然后推动发电机工作。科学家们想到了2点：一、不烧开水行不行？二、不用铀235烧行不行？

答案是肯定的。

首先，科学家们发现使用熔融状态的混合盐作为核反应堆的冷却剂，由于比热容较大，可以获得更高的热效率。同时与“烧开水”相比，具有以下特点：

1、可以实现增殖。使用Li、Be、Na、Zr等氟化盐以及溶解U、Pu、Th的氟化物熔融混合，作为核燃料，可以在600-700℃和低压的情况下，直接进入热能交换器进行能量交换，并且UF4和PuF3作为裂变燃料，可以产生热量和中子，此时ThF4和UF4作为增殖燃料，吸收了中子，可以产生新的裂变燃料U或者Pu，经过在线萃取，可以再次进入反应堆循环。

这种反应堆叫做“熔盐反应堆”，神奇的是这种堆型在运行几年后，还可以重新装配一套新的反应堆所需的燃料。

试想，如果航天、航空运用此类型反应堆，不但可以利用这样的燃料特性做到小型化，并且不断增殖，可以提供持续动力，多么神奇！

2、水的沸点只有100℃，在反应堆中交换热量时，管道压力很大，并且传递热效率很低。例如

压水堆的热转换效率只有33%，熔盐堆可以达到45%。

不仅如此，压水堆等一旦发生管道破损，辐射物可以随着水蒸气四处飘散。而使用熔盐堆可以在常规大气压下运行，因此管道不需要太厚，使用寿命也显著增加。

3、熔盐堆最大的商业优势是在核废料的处理上，采用核废料混合反应，无疑可以减少废料处理难题。

为何美国放弃钍反应堆？

看到这样的优势，美国在1946年启动了核能飞行器的研制计划，1954年美国橡树林实验室制造了NaF-ZrF4熔盐堆（ARE）实验工作，但是这个目标发电2.5MW的空间动力实验，6年后终止。

1963年，在该实验的技术上，建成了8MW的熔盐实验堆(MSRE)，一共运行了5年时间，计算时间为：3000小时，相关研究表明：安全、高效。1971年，设计了1GW钍基熔盐增殖堆核电系统，1976年，使用铀238和钚239作为燃料发展“钠冷快堆”，使用钍232和铀233的熔盐堆计划被废弃。

那么既然熔盐堆有这么多好处，为何美国在实验成功之后，很快就放弃了呢？

让我们回顾美国橡树林实验室的2.5MW和8MW的熔盐实验堆(MSRE)到底发生了什么，来一探究竟。

这2次实验证实了以下成果：

1、用FLiBe用于熔盐堆稳定高效，并且和慢化剂石墨相融性较好；

2、使用“哈斯特洛镍合金-N”材料可以控制反应堆容器、管道、热量交换器等部位的腐蚀水平；

3、核燃料和裂变产物可以在线分离，例如：裂变的产物氪和氙可以从熔盐中成功分离；

4、熔盐堆的燃料十分广泛，其中包括U235,U233和Pu239；

但是，通过实验也发现，上述的管道材料虽然可以控制腐蚀水平，但是金属特性还是会持续下降，要解决这个问题涉及到核物理、化学、材料等交叉学科，一时间难以解决。

另外，二次回路的临界问题，以及石墨材料受到辐射之后的稳定性也需要重新评估。最为难办的是熔盐燃料中镧系和锕系元素的溶解性，以及热交换器中金属团聚问题都难以解决。

这相当于，管道、热交换器的腐蚀和“水垢”问题没有好的解决方案。所以这种固态的熔盐堆最终被废弃，转而使用快堆技术。

虽然1971年设计的钍基熔盐堆（TMSR）能避免这些，但是在美苏争霸的冷战时期，显然美国人等不急。

钍基熔盐堆使用液态氟化钍作为燃料和冷却剂，在反应过程中处于熔融状态，压力和机械应力更小，没有爆炸的危险，并且如果管道、反应器发生破损，能够迅速凝固，不会像福岛核电站那样污染水源。

其基本原理是使用“钍232”增殖“铀233”和“钚239”，其优势明显，不但能显著缓解铀235紧缺问题，在减少核废料上也十分有效。但是由于熔盐反应堆普遍发电功率较小（一般在2MW-3500MW），管道腐蚀等问题的影响，在美苏两国的竞争情况下，被中止了。

自上世纪40年代至今，钍一直是最诱人的替代选项。和铀不同的是，钍储量丰富、分布广泛。它不需要像铀一样，经过精细的浓缩；而且不容易制成炸弹。另外，钍反应堆的设计有其与生俱来的安全性，可以在反应堆失控时关闭。而且，钍的放射性废物半衰期较短——几个世纪内就能转化为无害物质。

所以，印度、中国、印尼等国都继续试验钍反应堆，并尝试用熔融盐作为燃料，荷兰接过接力棒，重启当初的橡树岭实验。

中国发力钍基熔盐，有何突破？

在我国大型铀矿还没发现前，中国的科学家将目光就移到了替代材料上，相对于万年不消的铀矿辐射，钍的半衰期很短，经过中子撞击之后又可以转换成铀-233再使用的核能物质，是稀土之一。

既然铀矿我国储量并不丰富，为何不用储量丰富的稀土矿呢？

首先，自然界的就天然存在钍232，免去了铀浓缩、提纯的过程，拿来就用，很是方便。其次，我国已探明的钍工业储备量约为28万吨，仅次于印度，居世界第二位。最后，钍在核反应中能更充分地释放能量，一吨钍裂变产生的能量抵得上200吨铀。

最重要的一点是它的安全性，不但不会像铀235那样轻易发生裂变，需要中子轰击变成铀233才真正开始工作，没有中子注入，这个链式反应就终止了。上文也提到熔盐冷却就成为固态，即使发生泄露，也凝固在反应堆附近，不会扩散。另外使用钍只会产生核能，废料不会被拿来作为“贫铀弹”。

所以，当科学家们发现我们的稀土废料中的钍就十分激动，“变废为宝”行动就此开始了。

1970年，上海市启动了“728工程”，准备采用钍基熔盐堆技术，目标是建立一座25MW的核能发电站，后来考虑到实验性，改为在秦山建造30MW的轻水堆。

上海原子核研究所在1971年和1973年分别建成可零功率熔盐堆和水堆，用于开展钍基燃料实验，此后研究一直没有中断。

实际上之所以没在上海实现“728工程”，最主要的原因是，当时上海需要实现尽快发电，而不是实验性的核能新方向。

2011年，中国科学院启动了“未来先进核裂变能”战略性先导科技专项，钍基熔盐堆核能系统作为其两大部署内容之一，由于固态燃料熔盐堆和液态燃料熔盐堆需要相同的技术基础，具有不同的用途，前者技术成熟度较高，可以作为后者的预先研究，因此专项采取了两种堆型研发同时进行、相继发展的技术路线。

计划用20年左右的时间，致力于研发第四代先进裂变反应堆核能系统，实现核燃料多元化、防止核扩散和核废料最小化等战略目标。

这个计划分为三步走：

1、2011-2015年，起步阶段。建立完善的研究和实验平台，建立一个2MW钍基熔盐反应堆；

2、2016-2020年，发展阶段。全面解决科学和技术问题，达到世界领先水平，建成10WM钍基熔盐反应堆；

3、2020-2030年，成熟阶段。解决系统集成问题，实现小型模块化熔盐系统的产业化。建成100MW的示范性工程。

第一步，就将项目落地在甘肃省威武市，目前相关建设虽然比计划稍微迟缓，但是正是坚持绝对安全性保障的前提性进行的，目前已经竣工。经过多次安全部门抽验，全部合格。预计将在9月开始测试。功率虽然只有2MW,但是可以为约1000住户提供电能。

这将是自1969年美国橡树岭国家实验室研究人员关闭其反应堆以来，运行的首个熔盐反应堆，也是第一个以钍为燃料的熔盐反应堆。外媒评价“中国的测试会受到密切关注，中国人或将彻底改变核工业。”

那么，这么多国家没有取得成功，中国是如何实现的呢？

首先，使用新型材料解决燃料盐对管道的腐蚀作用，制造出了耐中子辐照性能的管道材料。

其次，经过多年实验，已经掌握了系统性的技术，相关成果已经发布，知识相当硬核，在此不赘述。

最后，完成相关系统性验证，进入工程验证阶段，为最终商用建立工程基础。

作为第四代核能技术的重要方式之一，中国领先全球做出实质性的探索，为未来实现核反应堆商业化提供全面的领先技术，这就是大国责任，这就是中国制造的魅力。