理性看待钍基熔盐堆

文/田力

作者供职于未来能源研究中心

作为第四代先进核能系统的核心代表，钍基熔盐堆以其钍资源利用率高、安全性好、核废料少等突出优势，成为破解我国能源结构转型与核燃料供给困境的重要方向。

近年来，我国在该领域实现了从跟跑到领跑的跨越，建成了全球唯一运行的钍基熔盐实验堆并完成了关键技术验证，但从实验堆到商业化应用仍需攻克一系列技术难关。

Part 01

国内技术开发现状：从无到有，领跑全球

我国钍基熔盐堆研发始于21世纪初。2011年，中国科学院启动“钍基熔盐堆核能系统”战略性先导科技专项，集聚近百家科研机构、高校和企业组建协同创新团队，开启了体系化攻关之路。

经过十余年努力，我国在该领域取得了一系列里程碑式成果。2023年10月，位于甘肃民勤的2兆瓦液态燃料钍基熔盐实验堆首次实现临界反应；2024年6月达成满功率运行（只发热、不发电），堆出口温度达650℃；2024年10月完成世界首次熔盐堆加钍实验；2025年11月宣布实现钍铀核燃料转换，首次获取钍入堆运行后实验数据，初步证明了熔盐堆利用钍资源的技术可行性。

目前，该实验堆已成为全球唯一运行并实现钍燃料入堆的熔盐堆，关键核心设备实现100%国产化，整体国产化率超90%，供应链完全自主可控。

科研团队创新采用一体式堆本体设计，将堆芯、燃料盐泵、换热器等核心设备集成于反应堆主容器内，大幅降低放射性泄漏风险，显著提升了系统安全性。

依托该实验堆，我国已构建起了独具特色的熔盐堆和钍铀燃料循环研究平台，并启动与国家电力投资集团等龙头企业的深度合作，加速推进钍基熔盐堆产业链与供应链建设。

根据规划，我国将在2026年启动10兆瓦级研究堆建设，2030年实现其满功率运行，2035年建成百兆瓦级示范工程，逐步推进技术商业化落地。

这一系列进展，不仅巩固了我国在国际熔盐堆研究领域的引领地位，而且为利用我国丰富的钍资源（已探明储量28.6万吨，多为稀土开采伴生资源）奠定了基础，有望破解我国铀资源对外依存度超70%的困局。

在核心技术研发方面，我国已突破液态燃料制备、高温熔盐回路设计、被动安全系统等关键技术，开发出GH3535镍基合金等专用结构材料并成功应用于实验堆，核石墨制备实现国产化——中钢新型材料（宁夏）有限公司成为国内唯一具备核石墨生产条件的企业，方大炭素研制的大规格核级石墨冷态技术性能达标，热导率、辐照稳定性等关键指标满足设计要求，打破国外垄断。

同时，我国在钍-铀燃料循环机理研究、堆芯物理设计等基础领域积累了大量数据，成功完成了世界首次熔盐堆加钍实验与钍铀核燃料转换，为后续技术迭代提供了坚实的科学与工程支撑。

Part 02

核心技术难题：从实验到商用的三道“拦路虎”

尽管我国在钍基熔盐堆研发上取得了显著突破，但实验堆的成功并不意味着商业化之路畅通无阻。从启动运行、结构材料到燃料循环，该技术路线仍面临着多重核心技术挑战。每一项都考验着我国的高端制造与基础研究实力。

（一）中子增值效率低：中间产物无效吸收引发的自持难题

钍基熔盐堆维持链式反应的核心瓶颈，并非仅在于启动阶段对铀-235中子源的依赖，更关键在于钍-铀转化链中存在大量中间产物的中子无效吸收，导致整体中子增值系数偏低，进而难以稳定维持铀-233裂变链式反应的自持。从启动到稳定运行的全流程来看，中子资源的“浪费”贯穿始终，大幅增加了反应自持的控制难度。

从启动环节来看，钍-232本身无法直接裂变，需要依赖铀-235或钚-239提供初始中子轰击钍核，启动钍-铀转化链（完整转化链：₉₀²³²Th+₀¹n→₉₀²³³Th→（β⁻衰变）→₉₁²³³Pa→（β⁻衰变）→₉₂²³³U）。

这一初始依赖虽存在，但可通过优化初始燃料装载量、提升中子利用效率等方式缓解，并非核心桎梏。真正的关键问题在于转化与运行过程中：一方面，中间产物镤-233（钍-233衰变产物）具有较高的中子吸收截面，会“无效俘获”部分中子生成镤-234。这部分中子本应用于轰击钍-232生成新的钍-233，或维持铀-233裂变。

另一方面，钍-232自身会发生寄生俘获反应（₉₀²³²Th+₀¹n→₉₀²³³Th），虽最终仍可能转化为铀-233，但过程耗时较长，且占用了大量本可直接服务于链式反应的中子。更重要的是，转化与裂变过程中还会生成铀-232等副产物。其及衰变子体同样具有强中子吸收能力，进一步加剧中子损耗。

中子的大量无效吸收直接导致钍基熔盐堆的中子增值系数（η）偏低——每个铀-233裂变释放的中子中，实际能用于维持裂变或转化钍-232的有效中子数较少。

要实现链式反应自持，需保证中子增值系数≥1，而钍基熔盐堆因上述损耗，需通过精准控制堆芯设计、优化中子能谱、调整钍-铀装载比例等方式，才能勉强达到自持阈值，且长期运行中燃料成分变化、裂变产物积累等因素会持续波动中子增值效率，导致反应极易失稳。

目前，我国虽在实验堆中通过优化堆芯中子能谱与钍装载量，实现了短期链式反应自持，但要解决中间产物无效吸收导致的中子增值低问题，仍需在转化机理研究、堆芯物理设计、燃料成分优化等方面取得突破性进展。

（二）结构材料三重考验：高温、腐蚀与辐照的极限挑战

钍基熔盐堆的运行环境堪称“极端苛刻”：堆芯工作温度高达600℃-700℃，液态氟化盐冷却剂兼具强腐蚀性，同时堆芯释放的中子会对结构材料造成持续辐照损伤。

结构材料需同时满足抗高温、抗强腐蚀、抗辐照三大要求。其性能直接决定反应堆的安全寿命——商业堆设计寿命需达60年，而实验堆使用的材料仍需进一步优化。

核石墨作为堆芯慢化体和反射体的核心材料，面临着严峻考验：高温下易与熔盐发生反应，中子辐照会导致其出现肿胀、硬化甚至微裂纹，表面微孔可能导致燃料盐渗透形成局部热点。

我国已开发出NG-CT-50等专用核石墨，小孔喉尺寸能有效阻隔熔盐，模拟验证了其优异的熔盐阻隔能力。耐辐照试验显示，在400℃、30MeVNi⁵⁺离子束辐照环境下，NG-CT-50核石墨辐照区域微裂纹出现少量收缩，纳米级孔隙数量减少，晶体非晶化程度随辐照深度增加而上升，且在600℃高温环境下辐照损伤可得到一定程度恢复。但商业堆要求材料承受10-30dpa的高辐照剂量，如何在该剂量下保证长期尺寸稳定性与力学性能，仍是亟待突破的关键难题。

而作为回路与堆芯包壳材料的镍基合金，同样面临着高温、腐蚀与辐照叠加的“极限修罗场”考验。我国自主研发的GH3535合金已成功应用于实验堆，相关耐辐照试验表明，在模拟堆芯600℃～700℃高温环境下，经一定剂量辐照后，合金仍能保持基本力学性能，但存在轻微晶间腐蚀倾向，辐照会加剧氟离子引发的应力腐蚀开裂风险，导致材料疲劳寿命下降。

目前，我国科研团队正通过同步辐射成像、离子束辐照实验等手段，深入研究材料微观结构演化规律，探索通过表面涂层、成分微调等方式提升其综合性能，但要实现商业堆60年设计寿命所需的长期可靠性，仍需在材料成分设计与制备工艺上持续攻关。

（三）在线同步后处理：高温放射性环境的“精细操作”难题

钍基熔盐堆的另一大优势是可通过在线后处理系统连续提取裂变产物、回收未燃尽燃料，实现连续运行5～7年无须停机换料。这是其区别于传统铀堆的核心特征之一。

需要明确的是，熔盐堆在线后处理技术并非单一工艺，而是一套集成化技术体系，干法熔盐电解是其中的核心关键环节，但并非全部。

从技术分类来看，核燃料后处理分为水法与干法，钍基熔盐堆的燃料由多种金属氟化物熔盐组成，难溶于水，因此干法后处理是其唯一适配的技术路线，而熔盐电解则是干法体系中实现元素分离的核心手段。

但在线后处理的完整流程还包括前置的氟化挥发、减压蒸馏等工艺，以及后续的燃料重构环节，需多工艺协同才能实现燃料盐的连续纯化与循环利用。

这种复杂的技术集成，使得在线同步后处理堪称“在刀尖上跳舞”——需在高温、强放射性环境下，对流动的液态燃料盐进行精准分离与提纯，任何操作失误都可能导致放射性泄漏或燃料损失。

目前，我国实验堆仍采用批次处理方式，连续在线处理技术尚处于研发阶段，其中干法熔盐电解环节的工程化验证是核心攻关重点。该技术的核心难点集中在三方面。

一是高温下裂变产物的精准分离。熔盐电解需在600℃～700℃高温下进行，需开发专用电极材料与电解质体系，确保高效分离铀、钍等锕系元素与裂变产物，同时避免电极腐蚀与副反应发生。

二是设备的耐辐射与密封性。电解装置需长期在强辐射环境下工作，密封件易受高温与辐射双重作用老化失效，可能导致放射性物质泄漏。三是处理过程的自动化控制。电解过程中的电压、电流、熔盐成分等参数需实时精准调控，需开发高精度传感器与控制系统，实现无人化操作。

此外，前置的氟化挥发工艺需高效分离铀并转化为UF₆，减压蒸馏环节需精准回收LiF、BeF₂等载体盐。这些环节与熔盐电解协同匹配的稳定性，同样是技术攻关的关键。

尽管我国已建成燃料盐后处理实验系统，且干法后处理主工艺流程已完成中试验证，但要满足商业堆的处理效率与安全性要求，仍需突破多工艺集成优化、大型化设备研制等一系列关键技术。

Part 03

展望：攻坚破难，开启钍基能源新时代

钍基熔盐堆是我国在第四代核能领域的“先手棋”。其技术突破不仅关乎能源安全，而且能推动我国在高温制氢、熔盐储能等关联产业的发展，构建多能互补的低碳复合能源系统。

面对上述技术难题，我国已制定清晰的攻关路线：通过国家战略先导专项持续投入，集聚材料科学、核物理、高端制造等多领域力量，从基础研究到工程应用进行全链条突破。

目前，核石墨性能优化、镍基合金腐蚀防护、在线后处理工艺等关键领域的研究正在稳步推进，10兆瓦级研究堆已进入设计阶段，计划2026年启动建设，核心任务是验证高功率、长时间运行下的设备可靠性，为百兆瓦级堆型积累工程经验。

从当前进展来看，距离百兆瓦级电站商业化推广仍有约10年左右的路程。按照规划，2035年将建成百兆瓦级示范工程并实现并网发电，开展供热、制氢等多元化应用示范；2040年左右完成钍铀燃料循环关键技术验证，实现商业化稳定运营，届时需通过规模化降低成本，确保其在经济性上可与传统核电、煤电抗衡。

随着技术的不断迭代，钍基熔盐堆有望如期实现商业化突破。届时，我国丰富的钍资源将得到充分利用，核能产业将摆脱对铀资源的依赖，为“双碳”目标的实现提供强有力的支撑。

当然，技术攻坚非一日之功，钍基熔盐堆的商业化之路仍需长期坚持。凭借我国在实验堆建设、核心材料国产化等方面的先发优势，以及体系化的科研攻关能力，我们有理由相信，钍基熔盐堆将成为中国引领全球能源革命的重要力量，开启清洁、安全、可持续的能源新时代。

欢迎投稿，联系邮箱

tg@inengyuan.com

“十五五”建设四大清洁能源基地，

实施非化石能源十年倍增行动