满足2万年能源需求!中国突破"无限能源":将开建全球首座钍熔盐堆

据港媒《南华早报》报道，中国计划明年在戈壁滩开始建造全球首座钍基熔盐堆发电站，科学家估计，中国的钍储量要比铀要丰富得多，足以支持中国未来2万年内的能源需求，因此钍基熔盐堆还被称为“无限能源”！

然而就这一种几乎接近无限的能源却是非常难突破的技术，全球各国都在钍基熔盐堆上下了死功夫，唯独中国科学家另辟蹊径突出重围，钍基熔盐堆技术究竟有多难，中国科学家又是如何突破的？且看下文为各位一一解读！

2025年开建：2029年建成投入运行

《南华早报》报道称，执行该项研究的是中国科学院上海应用物理研究所，并且还同时负责建设与运营全球首座钍基熔盐堆发电站，建设地点是在西北戈壁滩，据中国科学院上海应用物理研究所网站上公布的初步信息，应该是在甘肃武威。

报道称，该反应堆不需要循环水冷却，比目前主流反应堆使用“水”作为冷却剂要安全得多，因为循环水会将反应堆热量带出，一旦地震或者海啸以及其他意外事故导致循环水泵停止，那么大量的热会将水气化导致反应堆外壳破裂出现核泄漏。而钍基熔盐堆使用液态盐和二氧化碳来传递热量，不仅可以建在干旱缺水的戈壁沙漠地区，并且相对也要安全得多。

另一个是钍的蕴藏量也要比核反应堆中常用的核燃料铀-235的量要大，据科学家估计，钍的储量要比铀高出3-4倍，并且钍基熔盐堆发电效率高达45%~50%，据此计算，我国的钍储量足够“挥霍”2万年，这对于动辄亿年为单位的地质纪年来说只不过是一瞬间而已，但各位要知道，人类有文字记载的历史不过5000年而已，要是再来2万年供人类发展，估计都打算去仙女座星系殖民了！

话题扯远了，首座钍基熔盐堆当然没那么夸张，报道称，这座熔盐堆的热功率为60MW，其中有一部分功率将推动一台10MW的发电机组，剩余的热能将通过高温分解水分子产生氢气，这种叫做“绿氢”，可以作为最清洁的能源，所以除了10MW的发电机组外，另外大部分热能都不会浪费。

其实早在2023年，位于甘肃武威市西北约120公里戈壁滩中的钍基熔盐实验堆就已经投入运行，尽管这座热功率达到2MW的熔盐堆并不能发电，但这个实验堆已经将一种革命性的能够耐高温、辐射和化学腐蚀的超级合金在熔盐堆中运行测试了一遍，结果嘛，估计大家都知道了，要建造后续熔盐堆，肯定是一切顺利啦！

从2030年以后，中国将开始建设100MW发电功率以上的商业钍基熔盐堆，工业生产提供低成本、低碳、稳定、充足的电力。同时报道还称，中国船舶制造商最近还公布了世界上第一艘采用这种熔盐反应堆驱动的巨型集装箱船的设计，核动力集装箱船！各位想想，这也玩得有点大了吧！一些物流专家认为，这将引发人类物流领域的一场新革命。

钍基熔盐堆：无限能源是怎样练成的？

钍基熔盐堆也是一种核反应堆，从广义上来看，和目前的轻水堆或者重水堆并没太大的差异，都是利用重核裂变的技术，将原子核中巨大的能量释放出来，然后加热介质，比如水形成超高压蒸汽推动蒸汽轮机带动发电机发出电能，有网友戏称这种方式是变着法子烧开水，这个定义还挺贴切，但是烧水可是一项技术活，用柴火烧、用煤和天然气烧，用铀燃料烧，用钍燃料烧，这个技术等级是完全不一样的！

烧水这个技术活，为什么就核燃料最难？

烧水就是热源加热水的过程，煤炭和天然气，最简单的用火柴或者打火机就能点燃，煤炭也只需要搞点生火的柴火即可，但是要“点燃”核燃料的难度却有点大，因为核燃料不是“点燃”的，而是用“撞击”让其“分裂”的。

现代核反应堆中“常用”的“核燃料”是铀-235，从铀矿中提炼的铀中只有0.71%的铀-235，其它都是铀-238，因为要让铀-238裂变比较困难，一般需要让其吸收热中子变成钚-239之后才能再次作为燃料，而铀-235的原子核裂变则比较容易，在受到慢中子撞击后将会“分裂”成钡-141和氪-92，同时还会释放出2-3颗中子。

从中学物理可以知道，铀-235的质子数为92，‌中子数为143，铀-235的原子核在“吸收”一颗种中子后变得很不稳定，裂变成了成钡-141和氪-92，各位加总一下就知道两个加起来只有233，所以236-233=3个多余的中子！

这些中子又会去撞击其他铀-235的原子核，继续产生裂变！也算是链式反应，似乎不可控制？所以在反应堆中还有控制反应速度的控制棒，这是用吸收大量中子的材料制成，插进去吸收中子，反应堆就慢了直至停止，如果全部拔出来那就全功率运行了。

不过这里必须要说明一个问题，从裂变的铀-235中释放出来的中子能量比较大，一般将其称之为快中子或者热中子，由于速度“太快”，不容易“撞击”到别的原子核，这个裂变效率太差，因此要将其降低能级，减小速度，这就是减速剂的来历。

减速剂是一种能让快中子减速到适合铀-235原子核捕获能级的介质，种类很多，比如石墨、重水或者轻水等，所以有一种说法就是用减速剂来分类核反应堆的种类，比如石墨堆、重水堆、轻水堆等等。

减速剂可以用来减速中子，也可以用来作为热量的携带者，在这个上重水堆和轻水堆就比较方便了，比如轻水堆就可以让水直接在反应堆内加热并且汽化形成蒸汽，然后再推动蒸汽轮机工作，这种叫做沸水堆，意思就是把水“煮沸了”，优点是结构简单，缺点是蒸汽会带出放射性物质，蒸汽轮机也带放射性了，这个不太安全。

所以就有了另一种堆型，即将一回路中的减速剂压力增大，不沸腾，然后用这个高温高压的“超临界水”通过压力管路引到锅炉里烧开水，这样二回路中的水与一回路中水是隔离的，产生的蒸汽进入蒸汽轮机没有放射性，检修也方便。这种将一回路封闭起来的结构称为压水堆，轻水堆有沸水堆和压水堆两种，重水堆只有压水堆。

不过能将热量带出来的也不只是水，还有氦气，但是氦气热容量低，需要大量氦气循环，所以体积肯定小不了；也有钠冷却的快中子堆，不过钠一旦泄漏就会起火，危险性极大。所以用核燃料烧水难度还是有点大的。

核反应堆都同一个原理，钍基熔盐堆又是怎么样个结构？

其实不是钍基熔盐堆难，而是熔盐堆难度更大！前面介绍的几种核反应堆类型都是用轻水或者重水以及钠以及气冷等方式，不是存在超高压管路就是体积太大，又或者易燃易爆，而且一旦停电引发循环中止，就会导致反应堆内部的热量无法被及时带出，非常容易引发堆芯熔毁，就像311地震后福岛核电站的地下备用电源机组被海啸冲上来的海水淹没，冷却水无法循环，最终导致1号堆爆炸，堆芯熔毁等极其严重的核事故。

那么有没有一种结构更合理更安全的反应堆呢？答案是有的，熔盐堆就是其中一种，其原理是将核燃料比如铀-235或者钚-239或者钍等核燃料与熔盐混合，形成高温下能流动的“液态燃料”，在一条管道中运行，这个设计有多个天然优势：

• 1、管道堆芯设计高密度、堆芯功率很高，并且让换热变得非常容易；
• 2、管道堆芯设计能在一端将燃烧后的废料排出，另一端装入新燃料，不停堆无限运行；
• 3、因为可以随时更换核燃料，因此可以使用“浓度”很低的燃料，即使不用控制棒堆芯也不会“熔毁”，因为它本身就在熔毁状态，浓度低最高功率也受限，停堆后最多就固化在管道里；
• 4、熔盐堆可以管道能以一个大气压或者略高的压力运行，最高温度可以运行在700℃左右，功率密度比较高，只需要低于1m/s的冷却剂流速和低于1 bar的泵扬程；
• 5、熔盐堆二次侧压力高于一次侧，热交换器泄漏的情况下放射性不会泄漏到反应堆外；

在启动熔盐堆后，裂变产生的高温熔化熔盐或者外源加热让其边流动边裂变，高温的熔盐流经过蒸汽锅炉后将热量带走形成蒸汽推动蒸汽轮机工作！所以熔盐堆的反应堆是一条管道。那么它是如何展现安全的呢？

与轻水堆和重水堆以及钠冷却堆芯在高温下熔毁（无法用减速棒来减速不可控了）不一样，熔盐堆本来就运行在中等功率状态，不会失控，最多就是管道内核燃料固化报废而已，看起来钍基熔盐堆和原理和重水轻水堆类似？其实差异还是很大的，需要工作在增值状态!

钍-232是该元素中唯一“长期”稳定的元素，半衰期长达140亿年，几乎与宇宙同龄，这种元素其实很难裂变，但是为什么又要把钍-232作为核燃料呢？原因是钍-232在捕获中子后会后变成钍-233，然后连续β衰变两次，先变成镤-233然后再变成更容易分裂的铀-233。

简单一点说就是钍-232尽管很难裂变，但它可以变成容易裂变的铀-233，这种效应被称为增值效应，不过前提是在钍基熔盐堆的燃料中需要混杂一些铀-235作为中子的来源，是不是还是少不了铀-235？其实也不，因为钍-232在嬗变为铀-233裂变后还是会产生中子的，也就是说这个过程可以自持，一直到钍-232被耗尽。

是不是看起来很魔幻？我国钍-232的储量要远高于铀-235，所以用钍做核反应堆燃料是不是很划算？好处远不止此，据中科院官网官网介绍，钍基熔盐堆的好处多了：

• 不需要浓缩：最终的废料不到铀的一半，而放射毒性周期则小于两百年，因此在核废料的处理难度上是数量级的下降。
• 熔盐既是燃料又是冷却剂：具有天然的负反馈功能。当反应堆温度过高时，进一步的链式反应能够停止。
• 熔盐堆无需加压:由于本身液态，没有堆芯熔毁的风险。
• 不需要大量的水作为慢化剂：选址更为自由，甚至可以考虑到放在地下以更大程度减低泄漏事故造成的损害。
• 熔盐堆具有多样化的功能。熔盐堆不仅能够发电，还可产生高温工艺热，服务于工业制造。此外熔盐堆还具有供热、煤气化、甲烷重整、制氢等功能。

问题来了：如此优秀的堆型为什么没人造？

其实早在20世纪60年代，美国橡树岭国家实验室就在熔盐堆研究处于全球领先水平，一个7.4MW的钍基熔盐堆运转了4000多个小时，不过这个堆有几个问题，当时技术不稳定，维护时间太高；无法用这个堆型生产原子弹需要的钚-239元素；熔盐堆功率密度很难增加，因为温度越高熔盐的腐蚀性就越强，甚至连不锈钢都无法作为堆芯保护外壳。

多个原因之下，美国在1969年放弃了这项研究，之后全球多国都在1970年代后加入了这项研究，中国也不例外，上海728工程于1971年建成了零功率冷态熔盐堆并达到临界，但限于中国当时的科技、工业和经济水平，728工程转为建设轻水反应堆。

各国也建立了很多实验堆，但无一例外很难将其商业化，大多时候只是作为验证技术存在，不过这一项商业化技术已经被中国科学院上海应用物理研究所突破了，2011年时该所就定下目标在20年内达成在国际上首先实现钍基熔盐堆的应用，2023年6月7日，2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆通过中国国家核安全局认证，颁发了该项目的运行许可证。

在运行一年之后中国科学院上海应用物理研究所宣布2024年在戈壁滩开始建造全球首座钍基熔盐堆发电站，这是首次将实验堆转为发电堆，2030年之后，从发电实验堆突破称商业发电堆。