#所见所得，都很科学#

能源危机的最终解决方案是什么？石油竭尽的那一天人类可以依仗什么资源来维持生存？或许核能能够给到我们一个不错的答案。然而，除了核聚变反应以外，核能反应如何实现安全可控、经济与效率并存？或许这个答案终于能够实现由中国来进行首答了。

中国首交答卷，全球第一座钍燃料反应堆

2023年6月初，中国科学院上海应用物理研究所获得了由国家核安全局批准发布的核反应堆运行许可证，其中提及位于甘肃武威的钍基熔盐反应堆正式开始试运行，有效期为10年。这样一条看似简单的许可证，实则却蕴含了影响我国乃至世界百年能源变局的巨大信息。

什么是钍基熔盐反应堆？与核反应是什么关系？这样的批准标志着什么样的意义？我国的核能反应实现了多大的进步……一切都要从2021年9月9日一篇发布在全球学术界权威期刊《自然》杂志之上的小篇幅报道说起。

报道上这样写着：“中国准备试验钍燃料核反应堆，如果取得成功，会带来商业化并帮助国家实现气候目标。”这样的预料在当时，说不准是对中国的看好还是冷嘲，然而无论如何在几乎两年之后，中国建成了全球首座第四代核电技术“钍基熔盐堆核能系统”，并成为了首个将这项技术商业化的国家。

钍基熔盐堆核能系统，属于每个字都认识，但合在一起就是看不懂也听不懂的存在。这是一种利用钍作为核燃料，高温熔盐作为冷却剂和燃料，实现紧凑、轻量级以及低成本小型模块化核反应堆建设的核能系统技术。它不会出现熔毁，燃料来源也不容易被局限，更重要的是，它不能用来造核武器，就是纯纯的能源反应堆。

非常值得一提的是，美国早在上个世纪就开始研究钍基熔盐堆核能系统，欧洲也研究钍燃料研究了三十年了，但出于某些未公布的安全性评估问题，至今没有建设任何的“验证堆”，也没有进行任何进一步的研究。

也就是说，中国把欧美多国吹过的牛变成了现实，还走在了世界最前列的该技术掌握国。而如果要追问为什么是中国走在了最前面，就不得不从钍提起。

钍燃料的应用

钍是一种放射性元素。说到放射性元素，我们普通人的防御雷达简直是拉到满值，因为提到放射性元素几乎就离不开核能与核反应。

而事实上也是如此，钍是一种颇具核能潜力的、前景十分可观的燃料元素。钍在反应堆中吸收一个中子后会生成钍233，钍233在经两次β衰变后则生成铀233，而铀233正是可以作为核燃料的易裂变核素。此外，钍-铀组合的核燃料在循环中产生的超铀元素也要比传统的铀-钚燃料循环有显著减少，这就意味着超铀元素导致产生的含有放射性和毒性的核废物也会少得多。

在被运用作为核反应燃料之前，钍主要被用来制作合金材料，因为它性质活泼、质地柔软，所以被融入合金中就可以提高金属的强度。

再加上钍在被灼烧时会发出强烈的白光，所以也经常被用作煤气灯的白热纱罩。当然不是直接将钍“炼”为纱罩，而是将普通亚麻制成的网袋浸泡在硝酸钍溶液里，点火后，在硝酸钍作为强氧化剂的加持下，亚麻网袋瞬间就被烧成了灰，而硝酸钍则变成了二氧化钍按照麻网的形状保留了下来，成为了煤气灯外纱网一样的罩子。

而除了白热纱罩以外，钍还是制造高级透镜的常用原料。这里的高级透镜通常指的是运用在相机、摄像机以及军用光学器件等领域的光学射镜，要求保持高折射率的同时降低色散。然而大部分具有高折射率的玻璃色散也不低，直到人们发现了可以往其中加入钍元素非常有助于实现这一期望。

从1939年开始，各种含钍光学玻璃的专利纷纷出现，人们甚至发现了可以按重量配比来制造含钍光学玻璃，其中钍的占比在12%左右，甚至最高时可以达到28%。佳能、科达、雅西卡等影响产品公司都有推出经典的含钍光学镜头产品。

钍的用途范围可以说是极其之广泛，从原本就用量不低的合金添加元素、白热纱罩原料、高级透镜原料等到现在更是需要大批量实用的核能反应材料，我们对钍的需求可谓是非常能理解的庞大。那，我国的钍资源储量如何呢？

那可谓是非常富足。我国是典型的贫铀富钍国家，钍资源占全球第二，约为30万吨左右，分布范围也极广并不局限于某一特定地区，从南到北海南、湖南、四川、河北、云南、安徽、内蒙古等地都有。也正是因此，将钍当作核燃料来用一事，对缺乏铀资源但又需要大力发展核能的我国而言，实在意义非凡。

根据1吨钍能够提供相当于200吨铀、或者350万吨煤相应能源的换算，目前世界已知的钍储量至少能够为全世界提供1万年的能源支持。而按照1984年诺贝尔物理学奖获得者卡罗·鲁比亚所说：“如果采用钍来发电的话，按照目前的电能消耗来算，中国的钍储量能够保证未来起码两万年左右的发电供应。”

世界能源中的钍燃料

我们受制于铀资源，所以就要马不停蹄地寻找最合适的替代品和方案，所以夸张点说，这也就决定了我国甘肃威武地区的第四代核反应技术必须得是钍基熔盐堆。

有第四，就有前三，第一代核电站开发于上世纪50年代，主要目的就是为了证明用核能发电是行得通的，所以第一代核电站又被称为“试验站”；而第二代核电站则是普遍建成于20世纪70年代以后，也是当今全球核电站布局的主要组成部分，出现过意外的福岛核电站、切尔诺贝利核电站都属于这一代；第三代核电站则是更看重安全与技术，得同时满足美国核电用户要求文件（URD）和欧洲核电用户要求文件（EUR），现在的商用核电站采用的几乎都是第三代技术。

从左到右，从上到下：

第一代核电站 希平港原子能发电站

第二代核电站 秦山核电站

第四代核电站 柏崎刈羽核能发电站

相较于前三代，第四代核电站的“兼顾点”会更多，主打的是“安全、经济、可持续发展”，根据堆型都分为好几种：超高温气冷堆、钠冷快堆、超临界水冷堆、铅冷快堆、气冷快堆，以及熔盐堆。但无论是哪种类型，在燃料、花费以及环保上都有着非常严苛的标准，也就导致了在很多国家和地区，第四代核电站都还只在设想中。

钍燃料核反应堆的概念出现得很早，早到可以追溯到20世纪60年代。最早有美国提出过钍基核能方案，只是当时美国的想法比较“单纯”：我要造一个核动力飞机，不烧油，使用核动力、投掷核武器，发动核威胁。然而这个想法随着苏联洲际弹道导弹的成功试飞而跑歪：钍做核燃料没法搞核武器，与其费两份力不如直接研究铀基核反应堆。

于是美国的重心转向铀燃料，钍基核能逐渐转向民用领域。但随着国际形势的加剧变化，美国对钍燃料核反应堆也开始自顾不暇，直至搁置不理和冷落，钍基核能成长的空间与机会也被大大缩小。

全球研究钍燃料核反应堆的国家中，占先发优势地位的是一个出乎大家意料之外的国家——印度。印度使用了钍-232来代替核燃料中必不可少的铀-235同位素，在2017年花大价钱投资了孟加拉海湾500兆瓦大型快中子反应堆，并将其用钍元素通过系列反应变成铀元素投入到反应堆中技术命名为“印式快堆”。

我们不得不承认的是，印度的这一做法大胆又稳妥。矛盾吗？并不。大胆的是印度敢在全球各国中第一个做出直接将钍元素用作核燃料的尝试，的确是印度风格了“没有人比我更懂钍燃料核反应堆”；稳妥的是，同样作为贫铀国家，印度是钍矿大国，有着全球第一的钍矿储量。这是不甘于看着别人崛起发展的印度在当下根据实际能做出的最好选择了。

目前，印度的计划是三步走，力求在2050年时通过使用钍反应堆满足印度30%的电力需求。但根据目前印度方面披露的消息，以及建设反应堆实际需要的一整套完整核工业系统储备来看，印度能否实现自己的2050“钍之梦”这一期望比较难评。我们只能祝它成功吧。

在美国与印度之外，日本、法国等国也在研究钍基熔盐堆，但由于管道易被放射性熔盐腐蚀、铀反应堆天然的武器属性等原因，对于该技术的发展始终停滞不前。就在其他国家还处于构图中时，中国的钍基熔盐堆核能系统就早在2011年作为专项技术所启动了。

但其实我国钍基核能的发展也并不顺利，最早的尝试是在20世纪70年代发起的728工程，但由于受当时技术的限制，我国不得不放弃了重水，选择了轻水反应堆。但这个方案却始终一直搁置在技术人员们的心中。

直到2011年，我国“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统”项目正式启动。我们使用了可以溶解于氟盐中的钍铀混合物作为核燃料，可以保持实现常压高温、循环使用，并且循环过程中的热电转换效率更高，可利用的效能也更大。

在70年代至今近50年的时间里，专业技术人员们不止是没有放弃这个项目，甚至是一直在为其努力着，在这期间攻克了高纯度氟盐制备与检测技术、氟盐腐蚀控制技术、基于氟盐体系的干法分离技术、熔盐堆放射性气体监控技术等等难题，甚至为了解决核电站管道易腐蚀的困难生生研制出了可耐650摄氏度高温和熔盐腐蚀的研制出了“GH3535合金”。

从2018年项目正式开工；2021年2兆瓦的世界首个钍核反应堆在甘肃进行测试，可为1000户住户提供电能供应；到2023年6月国家核安全局颁发出实验堆运行许可证……整个世界都在观望着，中国的钍基核能技术能否真正成为未来先进核变裂能的革新起点。

结语

作为国际上正在大力发展的第四代反应堆技术，钍基熔盐堆具有突出的、公认的安全性和可开发性。就目前我国的进度看来，我们确实已经可以称作“处于国际引领地位”，按计划在2030年左右实现百兆瓦示范堆的建成问题不大。 且一旦成功运行，就代表着我国在这项技术上率先取得突破，可以说我国在核能发电原材料上掌握了具有划时代意义的革新性技术。

更别提，钍基熔盐堆体积小，体量轻便，或许应用在航母或者潜艇上会因功率而出现不适配，但要是应用在钍为核燃料发电的汽车之上的话，就恰恰是最合适的了。毕竟，美国有科学家就在研究钍燃料电车，试验表明，八克钍就可以让一辆悍马车一气儿开上96万公里。

但是，该泼的凉水还是要泼的。当前甘肃的土基熔盐堆拿到的是十年期限的试运行许可。对普通人而言，十年或许是一场人生的蜕变，然而对科学学术而言，十年更有可能是万里长征的第一段，长路仍遥。但我们相信也期待，就像从无到有、从有到好一样，钍基熔盐核反应堆技术会成熟、会小型化，可以实际应用在车辆、沙漠甚至太空……都是值得期待的。

参考资料：
1.苏更林：钍基熔盐堆——低调的中国“黑科技”，百科知识. 2022(19)

2.徐洪杰、戴志敏、蔡翔舟、王建强：钍基熔盐堆和核能综合利用，现代物理知识. 2018,30(04)

3.钍基熔盐堆核能系统，中国科学院院刊. 2016,31(S1)

4.Niharika Tagotra：印度核电困境，电力设备管理. 2020(10)

5.绍翁：印度为其第一套用钍作燃料的核电机组发放运行许可证，国外核新闻. 1993(01)

6.李文新、李晴暖：熔盐反应堆——放射化学创新发展的新源泉，核化学与放射化学. 2016,38(06)