引言：

核能作為清潔能源，發(fā)展到今天卻遇到了”生死攸關(guān)“的問題，雖然各國都在尋找新的技術(shù)路線，我國的第三代核電也領(lǐng)先全球，但是始終都要面對一個問題：由于核反應(yīng)發(fā)電的鈾235不夠用了！相關(guān)科學(xué)家預(yù)計按照現(xiàn)在的速度，最多只夠人類使用100年。另外，隨著切爾洛貝利核電站、福島核電站出現(xiàn)事故，民眾對核能利用產(chǎn)生的畏懼之情。

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那么，作為清潔高效的新型能源，沒有鈾235，我們只能放棄核能嗎？科學(xué)家們又是如何解決鈾235短缺問題？為何使用釷（tǔ）反應(yīng)堆替代十分理想，而早年間歐美卻放棄了？

鈾不夠用，核能發(fā)電怎么辦？

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前，全球已明確發(fā)現(xiàn)的鈾礦大約是700多萬噸，其中鈾235的占比約為0.7%，鈾238占比為99.275%，雖然它們之間只有3個中子的差別，但是鈾235就是核燃料，而鈾238就是核廢料。

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這樣計算出來，鈾235全球儲量也就只有4.9萬噸，按照我國秦山核電站，每年發(fā)電500億千瓦時，消耗的鈾235在5噸左右，即使全球鈾235都用在發(fā)電上，也只夠秦山核電站使用1萬年。

但是，隨著各國對新能源的需求不斷增加，大量的核電站被建造出來，這就迫切需要解決鈾235不足的問題，科學(xué)家們也嘗試使用豐富儲量的鈾238來代替鈾235，衍生出了新的新的快中子增殖反應(yīng)堆技術(shù)，這是以快中子轟擊鈾238，從而引起裂變核成鈾-235或钚-239等裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的堆型。

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要實現(xiàn)這個變化技術(shù)原理上可行，但是實踐起來十分困難，盡管人類已經(jīng)研究了幾十年，但是涉及這些增殖反應(yīng)堆的復(fù)雜技術(shù)，尚未被充分應(yīng)用于可節(jié)省投資的發(fā)電。

歷史上，我國被稱為“貧鈾國”，著名地質(zhì)學(xué)家李四光不相信，先是找出了油井，緊接著就接過了找鈾礦的重任，其實李四光早有準(zhǔn)備，1949年回國時，他就帶回一臺伽馬射線儀，可以探測鈾礦射線，準(zhǔn)確定位地下鈾礦。1955年1月15日，我國的第一塊鈾礦石從廣西富鐘縣被發(fā)現(xiàn)，然后帶到了中南海。

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到目前為止，我國已探明大小鈾礦200多個,探明儲量為10萬噸，2012年內(nèi)蒙古又發(fā)現(xiàn)了大型鈾礦，預(yù)估儲量為5萬噸，這使得我國扔掉了“貧鈾國”的帽子，躋身于世界9大產(chǎn)鈾國之列，國際原子能機構(gòu)(iaea)預(yù)測中國可能的鈾儲量為177萬噸。

既便如此，根據(jù)何祚庥院士的測算，如果我國要實現(xiàn)“2050 年核電達到 4 億千瓦以上”的既定目標(biāo)，將至少面臨“高達 400 萬噸天然鈾可采儲量”的短缺，這個數(shù)字已經(jīng)占到全世界鈾資源總儲量的 72%。

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這就亟需我們兩條腿走路：一是繼續(xù)尋找鈾礦資源，精細化使用鈾礦，提高使用效率；二是，尋找鈾235的替代產(chǎn)品。

實際上，核能發(fā)電一直沒有脫離“燒開水”這個原理，都是在利用核裂變過程中產(chǎn)生的熱能來“燒開水”，然后推動發(fā)電機工作?？茖W(xué)家們想到了2點：一、不燒開水行不行？二、不用鈾235燒行不行？

答案是肯定的。

首先，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)使用熔融狀態(tài)的混合鹽作為核反應(yīng)堆的冷卻劑，由于比熱容較大，可以獲得更高的熱效率。同時與“燒開水”相比，具有以下特點：

1、可以實現(xiàn)增殖。使用Li、Be、Na、Zr等氟化鹽以及溶解U、Pu、Th的氟化物熔融混合，作為核燃料，可以在600-700℃和低壓的情況下，直接進入熱能交換器進行能量交換，并且UF4和PuF3作為裂變?nèi)剂希梢援a(chǎn)生熱量和中子，此時ThF4和UF4作為增殖燃料，吸收了中子，可以產(chǎn)生新的裂變?nèi)剂蟄或者Pu，經(jīng)過在線萃取，可以再次進入反應(yīng)堆循環(huán)。

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這種反應(yīng)堆叫做“熔鹽反應(yīng)堆”，神奇的是這種堆型在運行幾年后，還可以重新裝配一套新的反應(yīng)堆所需的燃料。

試想，如果航天、航空運用此類型反應(yīng)堆，不但可以利用這樣的燃料特性做到小型化，并且不斷增殖，可以提供持續(xù)動力，多么神奇！

2、水的沸點只有100℃，在反應(yīng)堆中交換熱量時，管道壓力很大，并且傳遞熱效率很低。例如

壓水堆的熱轉(zhuǎn)換效率只有33%，熔鹽堆可以達到45%。

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不僅如此，壓水堆等一旦發(fā)生管道破損，輻射物可以隨著水蒸氣四處飄散。而使用熔鹽堆可以在常規(guī)大氣壓下運行，因此管道不需要太厚，使用壽命也顯著增加。

3、熔鹽堆最大的商業(yè)優(yōu)勢是在核廢料的處理上，采用核廢料混合反應(yīng)，無疑可以減少廢料處理難題。

為何美國放棄釷反應(yīng)堆？

看到這樣的優(yōu)勢，美國在1946年啟動了核能飛行器的研制計劃，1954年沒過橡樹林實驗室制造了NaF-ZrF4熔鹽堆（ARE）實驗工作，但是這個目標(biāo)發(fā)電2.5MW的空間動力實驗，6年后終止。

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1963年，在該實驗的技術(shù)上，建成了8MW的熔鹽實驗堆(MSRE)，一共運行了5年時間，計算時間為：3000小時，相關(guān)研究表明：安全、高效。1971年，設(shè)計了1GW釷基熔鹽增殖堆核電系統(tǒng)，1976年，使用鈾238和钚239作為燃料發(fā)展“鈉冷快堆”，使用釷232和鈾233的熔鹽堆計劃被廢棄。

那么既然熔鹽堆有這么多好處，為何美國在實驗成功之后，很快就放棄了呢？

讓我們回顧美國橡樹林實驗室的2.5MW和8MW的熔鹽實驗堆(MSRE)到底發(fā)生了什么，來一探究竟。

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這2次實驗證實了以下成果：

1、用FLiBe用于熔鹽堆穩(wěn)定高效，并且和慢化劑石墨相融性較好；

2、使用“哈斯特洛鎳合金-N”材料可以控制反應(yīng)堆容器、管道、熱量交換器等部位的腐蝕水平；

3、核燃料和裂變產(chǎn)物可以在線分離，例如：裂變的產(chǎn)物氪和氙可以從熔鹽中成功分離；

4、熔鹽堆的燃料十分廣泛，其中包括U235,U233和Pu239；

但是，通過實驗也發(fā)現(xiàn)，上述的管道材料雖然可以控制腐蝕水平，但是金屬特性還是會持續(xù)下降，要解決這個問題涉及到核物理、化學(xué)、材料等交叉學(xué)科，一時間難以解決。

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另外，二次回路的臨界問題，以及石墨材料受到輻射之后的穩(wěn)定性也需要重新評估。最為難辦的是熔鹽燃料中鑭系和錒系元素的溶解性，以及熱交換器中金屬團聚問題都難以解決。

這相當(dāng)于，管道、熱交換器的腐蝕和“水垢”問題沒有好的解決方案。所以這種固態(tài)的熔鹽堆最終被廢棄，轉(zhuǎn)而使用快堆技術(shù)。

雖然1971年設(shè)計的釷基熔鹽堆（TMSR）能避免這些，但是在美蘇爭霸的冷戰(zhàn)時期，顯然美國人等不急。

釷基熔鹽堆使用液態(tài)氟化釷作為燃料和冷卻劑，在反應(yīng)過程中處于熔融狀態(tài)，壓力和機械應(yīng)力更小，沒有爆炸的危險，并且如果管道、反應(yīng)器發(fā)生破損，能夠迅速凝固，不會像福島核電站那樣污染水源。

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其基本原理是使用“釷232”增殖“鈾233”和“钚239”，其優(yōu)勢明顯，不但能顯著緩解鈾235緊缺問題，在減少核廢料上也十分有效。但是由于熔鹽反應(yīng)堆普遍發(fā)電功率較?。ㄒ话阍?MW-3500MW），管道腐蝕等問題的影響，在美蘇兩國的競爭情況下，被中止了。

自上世紀(jì)40年代至今，釷一直是最誘人的替代選項。和鈾不同的是，釷儲量豐富、分布廣泛。它不需要像鈾一樣，經(jīng)過精細的濃縮；而且不容易制成炸彈。另外，釷反應(yīng)堆的設(shè)計有其與生俱來的安全性，可以在反應(yīng)堆失控時關(guān)閉。而且，釷的放射性廢物半衰期較短——幾個世紀(jì)內(nèi)就能轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。

所以，印度、中國、印尼等國都繼續(xù)試驗釷反應(yīng)堆，并嘗試用熔融鹽作為燃料，荷蘭接過接力棒，重啟當(dāng)初的橡樹嶺實驗。

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中國發(fā)力釷基熔鹽，有何突破？

在我國大型鈾礦還沒發(fā)現(xiàn)前，中國的科學(xué)家將目光就移到了替代材料上，相對于萬年不消的鈾礦輻射，釷的半衰期很短，經(jīng)過中子撞擊之后又可以轉(zhuǎn)換成鈾-233再使用的核能物質(zhì)，是稀土之一。

既然鈾礦我國儲量并不豐富，為何不用儲量豐富的稀土礦呢？

首先，自然界的就天然存在釷232，免去了鈾濃縮、提純的過程，拿來就用，很是方便。其次，我國已探明的釷工業(yè)儲備量約為28萬噸，僅次于印度，居世界第二位。最后，釷在核反應(yīng)中能更充分地釋放能量，一噸釷裂變產(chǎn)生的能量抵得上200噸鈾。

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最重要的一點是它的安全性，不但不會像鈾235那樣輕易發(fā)生裂變，需要中子轟擊變成鈾233才真正開始工作，沒有中子注入，這個鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就終止了。上文也提到熔鹽冷卻就成為固態(tài)，即使發(fā)生泄露，也凝固在反應(yīng)堆附近，不會擴散。另外使用釷只會產(chǎn)生核能，廢料不會被拿來作為“貧鈾彈”。

所以，當(dāng)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)我們的稀土廢料中的釷就十分激動，“變廢為寶”行動就此開始了。

1970年，上海市啟動了“728工程”，準(zhǔn)備采用釷基熔鹽堆技術(shù)，目標(biāo)是建立一座25MW的核能發(fā)電站，后來考慮到實驗性，改為在秦山建造30MW的輕水堆。

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上海原子核研究所在1971年和1973年分別建成可零功率熔鹽堆和水堆，用于開展釷基燃料實驗，此后研究一直沒有中斷。

實際上之所以沒在上海實現(xiàn)“728工程”，最主要的原因是，當(dāng)時上海需要實現(xiàn)盡快發(fā)電，而不是實驗性的核能新方向。

2011年，中國科學(xué)院啟動了“未來先進核裂變能”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)作為其兩大部署內(nèi)容之一，由于固態(tài)燃料熔鹽堆和液態(tài)燃料熔鹽堆需要相同的技術(shù)基礎(chǔ)，具有不同的用途，前者技術(shù)成熟度較高，可以作為后者的預(yù)先研究，因此專項采取了兩種堆型研發(fā)同時進行、相繼發(fā)展的技術(shù)路線。

計劃用20年左右的時間，致力于研發(fā)第四代先進裂變反應(yīng)堆核能系統(tǒng)，實現(xiàn)核燃料多元化、防止核擴散和核廢料最小化等戰(zhàn)略目標(biāo)。

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這個計劃分為三步走：

1、2011-2015年，起步階段。建立完善的研究和實驗平臺，建立一個2MW釷基熔鹽反應(yīng)堆；

2、2016-2020年，發(fā)展階段。全面解決科學(xué)和技術(shù)問題，達到世界領(lǐng)先水平，建成10WM釷基熔鹽反應(yīng)堆；

3、2020-2030年，成熟階段。解決系統(tǒng)集成問題，實現(xiàn)小型模塊化熔鹽系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化。建成100MW的示范性工程。

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第一步，就將項目落地在甘肅省威武市，目前相關(guān)建設(shè)雖然比計劃稍微遲緩，但是正是堅持絕對安全性保障的前提性進行的，目前已經(jīng)竣工。經(jīng)過多次安全部門抽驗，全部合格。預(yù)計將在9月開始測試。功率雖然只有2MW,但是可以為約1000住戶提供電能。

這將是自1969年美國橡樹嶺國家實驗室研究人員關(guān)閉其反應(yīng)堆以來，運行的首個熔鹽反應(yīng)堆，也是第一個以釷為燃料的熔鹽反應(yīng)堆。外媒評價“中國的測試會受到密切關(guān)注，中國人或?qū)氐赘淖兒斯I(yè)?！?/p>

那么，這么多國家沒有取得成功，中國是如何實現(xiàn)的呢？

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首先，使用新型材料解決燃料鹽對管道的腐蝕作用，制造出了耐中子輻照性能的管道材料。

其次，經(jīng)過多年實驗，已經(jīng)掌握了系統(tǒng)性的技術(shù)，相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)布，知識相當(dāng)硬核，在此不贅述。

最后，完成相關(guān)系統(tǒng)性驗證，進入工程驗證階段，為最終商用建立工程基礎(chǔ)。

作為第四代核能技術(shù)的重要方式之一，中國領(lǐng)先全球做出實質(zhì)性的探索，為未來實現(xiàn)核反應(yīng)堆商業(yè)化提供全面的領(lǐng)先技術(shù)，這就是大國責(zé)任，這就是中國制造的魅力。