隨著華龍一號(hào)成功并網(wǎng)發(fā)電，所謂“第四代反應(yīng)堆”的消息又開始熱了起來。在眾多“第四代反應(yīng)堆候補(bǔ)”中，有一款反應(yīng)堆以其“高效率”和“燃料取之不盡”而受到很多網(wǎng)民矚目，這就是所謂的“釷燃料增殖熔鹽反應(yīng)堆”。

那么，這種神秘的反應(yīng)堆究竟是什么東西呢？為啥迄今為止都沒有進(jìn)入商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)呢？請讓本人做一個(gè)簡明易懂的科普。

反應(yīng)堆的發(fā)展之路——更高，更穩(wěn)，更有持續(xù)性

打從1942年“芝加哥一號(hào)”運(yùn)轉(zhuǎn)而來，核反應(yīng)堆一直是現(xiàn)代社會(huì)功率密度最高的設(shè)備。一臺(tái)尺寸不過中型鍋爐的反應(yīng)堆，加入若干噸3%的U235核燃料后，就可以以1000MW電功率穩(wěn)定輸出一整年。然而，由于目前商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)的反應(yīng)堆通常是水冷反應(yīng)堆，使用的燃料是U235，其最大工作溫度不過400度，而天然鈾235也僅占自然界鈾儲(chǔ)備的0.7%，難以持續(xù)穩(wěn)定的提供。更何況，自從切爾諾貝利和福島核事故后，公眾們一直對既有的核發(fā)電技術(shù)抱有安全疑慮，各種反對核電站的示威層起彼伏，因此讓反應(yīng)堆變得工作溫度更高，熱效率更好，燃料來源更加充沛，同時(shí)安全系數(shù)也要更高，就是幾十年來核動(dòng)力科學(xué)家一直以來的追求。

在本人之前文章中已經(jīng)介紹了壓水堆、金屬堆和氣冷堆。除了我們現(xiàn)在發(fā)電常用的壓水堆（中國全部反應(yīng)堆都是壓水堆）和沸水堆（美歐日韓多見，而且多為90年代以前生產(chǎn)的舊型號(hào)），和早期用于生產(chǎn)核武器的石墨氣冷堆以外，其他幾種反應(yīng)堆都不常見。但是這些不常見的反應(yīng)堆——鈉冷快堆、高溫氣冷堆和今天要講的熔鹽反應(yīng)堆都有一個(gè)共同特點(diǎn)——即遠(yuǎn)高于壓水堆/沸水堆的工作溫度。

為什么要不斷追求更高的溫度呢？很簡單。由于現(xiàn)代最具規(guī)模效應(yīng)的發(fā)電模式為汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電，那么為了讓推動(dòng)汽輪機(jī)的蒸汽功率更大，就需要把蒸汽提升到更高的溫度，含有更高的內(nèi)能。但是，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱機(jī)的功率傳輸只可能在高溫?zé)釒旌偷蜏責(zé)釒扉g流動(dòng)，也就是說，蒸汽輪機(jī)的工質(zhì)（蒸汽）溫度一定會(huì)比加熱器低。在傳統(tǒng)的燃煤鍋爐上，尚且可以通過省煤器和過熱器（通常是纏繞在煙道上的蒸汽管道）以利用燃煤的排氣溫度進(jìn)一步加熱，但在核反應(yīng)堆上，這個(gè)招式就不能用了，唯一的辦法就是進(jìn)一步提升一回路的供熱溫度。但這樣一來，在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)嚴(yán)重問題：反應(yīng)堆壓力容器材質(zhì)問題。

根據(jù)水的三相圖，我們會(huì)知道在密封容器中，水的沸點(diǎn)會(huì)因?yàn)橥饧訅毫ι仙?。因此一臺(tái)壓水堆為了引出足夠燒開常壓二回路的熱水，就必須要讓一回路達(dá)到150個(gè)大氣壓以上，把水溫提升到350度以上，因此壓水堆的“壓”就來自于核心器件壓力容器，它必須由高性能熱強(qiáng)鋼構(gòu)成，能夠在數(shù)百攝氏度高溫下一次性工作幾十年而不損壞，同時(shí)還是出現(xiàn)堆芯熔毀事故的最重要保護(hù)器件。因此壓水堆難度基本上都在一回路的壓力容器上。但就算是科學(xué)家多么努力，受限于水的物理性質(zhì)極限，想要進(jìn)一步提升水溫也只有提升壓力的一條死胡同，最終只會(huì)帶來設(shè)計(jì)和制造壓力容器的難度指數(shù)上升。

因此，科學(xué)家就必須繞開水去尋找更高溫的冷卻劑。而這也將引出今天的主角——熔鹽反應(yīng)堆。

用熔融的“鹽”代替水的反應(yīng)堆——熔鹽反應(yīng)堆

先回顧一個(gè)化學(xué)概念：鹽。在中學(xué)化學(xué)中，學(xué)生們就會(huì)學(xué)習(xí)到“酸堿鹽”的定義。所謂的鹽并不是我們?nèi)粘５摹笆雏}”（氯化鈉），而是指金屬陽離子和一種陰離子形成的離子化合物，陰離子可以是酸酐、鹵素等（但不能是OH根，否則就是堿）。因此，熔鹽反應(yīng)堆，指的就是將反應(yīng)堆的冷卻劑替換為某種“鹽”，將其加熱熔化成為“熔鹽”，再將其引出到二回路加熱水驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。

在具體實(shí)踐中，熔鹽反應(yīng)堆有兩個(gè)分支。第一分支是核材料熔融于熔鹽中，熔鹽既是冷卻劑又是燃料；第二分支是傳統(tǒng)的固體核燃料配合用于冷卻的熔鹽，此時(shí)熔鹽扮演的角色類似于金屬冷卻反應(yīng)堆的液態(tài)金屬，僅起到提升一回路工作溫度效果。在目前實(shí)踐中，主要的發(fā)展方向都是上圖所示的熔融核燃料熔鹽反應(yīng)堆。不過，由于目前常用的核材料鈾235是慢中子燃料，所以反應(yīng)堆還需要一種減速劑來將核裂變產(chǎn)生的快中子減速到慢中子級(jí)別，而一般的熔鹽通常不具備中子減速能力，因此通常熔鹽反應(yīng)堆要搭配石墨使用——石墨是良好的中子減速劑，同時(shí)耐高溫。

熔鹽反應(yīng)堆的啟動(dòng)——美國航空反應(yīng)堆計(jì)劃

熔鹽反應(yīng)堆最早可以追溯到1946年的美國“核動(dòng)力飛機(jī)”的研究計(jì)劃。在美軍成功用核彈核爆了廣島長崎后，美國陸軍航空兵（1948獨(dú)立為美國空軍）立即提出要設(shè)計(jì)核動(dòng)力轟炸機(jī)，以隨時(shí)隨地飛往世界任何一個(gè)角落，比起蘇聯(lián)的核動(dòng)力飛機(jī)計(jì)劃早了快10年時(shí)間。由于要考慮到飛機(jī)螺旋槳的驅(qū)動(dòng)功率（那時(shí)候渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)才剛剛起步）和飛機(jī)的承載力，當(dāng)時(shí)既有的氣冷石墨堆和水冷堆都體積太大，不能上飛機(jī)。因此美國核動(dòng)力研究機(jī)構(gòu)通過理論分析，最終選擇了一個(gè)嶄新的核反應(yīng)堆堆芯和冷卻系統(tǒng)——就是今日的熔鹽核燃料反應(yīng)堆的前身。

以該計(jì)劃中被認(rèn)為較有競爭力的“火球”反應(yīng)堆為例，該反應(yīng)堆采用氟化鈉-氟化鋯為冷卻劑，熔融的四氟化鈾（6%U235）為核燃料，石墨為減速劑。該反應(yīng)堆熱功率高達(dá)60MW（接近第一代美國核潛艇反應(yīng)堆），但由于熔鹽反應(yīng)堆無需高壓，因此整個(gè)容器直徑只有1.4米。在啟動(dòng)后，熔鹽緩緩地在反應(yīng)堆內(nèi)循環(huán)，將反應(yīng)堆加熱到1150K的高溫，然后熔鹽流出反應(yīng)堆，移動(dòng)到飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室將空氣加熱膨脹，推動(dòng)飛機(jī)飛行。該反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)壽命為1500小時(shí)，飛機(jī)起飛后，可以維持500小時(shí)的最大功率，足夠飛機(jī)從美國直飛世界任何一個(gè)角落。

在這個(gè)計(jì)劃中，美國除了熔鹽循環(huán)反應(yīng)堆，還實(shí)驗(yàn)過高溫氦冷堆和其他設(shè)計(jì)，不過最終進(jìn)入測試的是熔鹽核燃料+氦冷的反應(yīng)堆“飛機(jī)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆”（Aircraft Reactor Experiment）.

ARE反應(yīng)堆同樣是采用氟化鈉·氟化鋯冷卻劑，6%四氟化鈾作為燃料，氧化鈹為慢化劑，以氦氣為二回路工質(zhì)。在測試中，該反應(yīng)堆跑到了人類歷史上核反應(yīng)堆最高的860攝氏度溫度的高溫，驗(yàn)證了熔鹽反應(yīng)堆的高溫性能。在實(shí)驗(yàn)堆實(shí)現(xiàn)了預(yù)定技術(shù)指標(biāo)后，該反應(yīng)堆在1955年報(bào)廢拆解，一共用掉了14千克的濃縮鈾235——比中國第一枚原子彈用的還要多！

在此之后，美國決定研發(fā)航空反應(yīng)堆的示范堆，功率被進(jìn)一步提升到60MW，但是由于整個(gè)計(jì)劃1961年下馬，該項(xiàng)目轉(zhuǎn)為美國熔鹽反應(yīng)堆研究項(xiàng)目（MSRE）。而這個(gè)反應(yīng)堆也不簡單——它開創(chuàng)了“熔融釷燃料反應(yīng)堆”的先河。

那么，先讓我們了解一下什么是“釷燃料”吧。

釷：一種潛在的增殖材料

說道“釷”，大部分人都會(huì)感到很陌生。這種金屬的名字來自于北歐神話“提爾”大神，原子序號(hào)90，為錒系元素。這種金屬在被發(fā)現(xiàn)具有放射性前，一直以來缺乏應(yīng)用對象。不過，在大部分老一輩人的記憶里（也包括一部分我這樣的90后），都依稀記得在那個(gè)手持電燈并不普及的時(shí)代，夜間小攤販掛起的明亮的汽燈燈光。

汽燈共有三個(gè)主要結(jié)構(gòu)：煤油壺和打氣筒，噴嘴和白熾燈罩。在加入煤油，并打入空氣后，擰開閥門便有霧化的煤油噴射出來，被點(diǎn)燃后，它就會(huì)均勻燒灼白色的燈罩，而燈罩采用的材料——正是含有硝酸釷的棉紗。在高溫下，硝酸釷會(huì)受熱分解，生成二氧化釷，而二氧化釷熔點(diǎn)高達(dá)3200度以上，在高溫的霧化煤油火焰炙烤下，它會(huì)發(fā)出灼熱的白熾燈光。而這個(gè)用途，便是釷成為在潛在的核工業(yè)原料前寥寥無幾幾個(gè)工業(yè)應(yīng)用之一。由于應(yīng)用過少，國內(nèi)大部分釷都被當(dāng)做稀土生產(chǎn)的廢料隨著礦渣丟棄。

釷真正的價(jià)值在核嬗變理論和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論發(fā)現(xiàn)后才得以重視起來。

1946年，美國人宣布，除了鈾235和钚239，鈾233也是一種可裂變物質(zhì)。但是，與鈾235和钚239不同，鈾233基本上不能在自然界發(fā)現(xiàn)，因此人們便開始尋找用什么手段去生產(chǎn)鈾233.不久，人們發(fā)現(xiàn)，在釷232受到中子輻照后，部分釷232會(huì)吸收一個(gè)中子，形成釷233，釷233僅有22分鐘半衰期，就會(huì)發(fā)生一次貝塔衰變，釋放一個(gè)電子，成為鏷233，然后再經(jīng)過27天半衰期，再經(jīng)過一次貝塔衰變，就成為了鈾233.

在這個(gè)過程發(fā)現(xiàn)后，釷一度身價(jià)倍增，成為了美國，日本和印度企圖大量增產(chǎn)核裂變材料國家的座上賓。在1955年，美國甚至還引爆了鈾233的核彈頭，其效率接近钚239核彈頭，只需要4-5千克即可引爆，似乎讓其更進(jìn)一步工業(yè)和軍用價(jià)值顯現(xiàn)出來。

受此鼓舞，美國在上世紀(jì)50-60年代絕大多數(shù)核反應(yīng)堆中都擺放了足夠的釷232，以為只要擺放足夠的釷，就能夠在日常使用反應(yīng)堆時(shí)源源不斷生產(chǎn)鈾233，從而制造更多的核武器。但是很快，美國人就開始發(fā)現(xiàn)這個(gè)途徑遇上了極大的阻力：鈾233的分離純化。

原來,在釷受到中子輻射形成釷233時(shí)，并不是全部都會(huì)通過兩次貝塔衰變形成鈾233，而是有一部分會(huì)在形成鏷233時(shí)，會(huì)再放出一個(gè)中子，衰變?yōu)殓h232，再釋放一個(gè)電子，形成鈾232.由于鈾232原子量和鈾233極為接近，因此難以通過氣體擴(kuò)散和離心機(jī)分離，會(huì)殘存于鈾233成品中。而殘存下來的鈾232，就會(huì)發(fā)生下圖的衰變：

在衰變鏈末端，會(huì)有約35,94%的鉍212生成鉈208，而鉈208是一種強(qiáng)力伽馬射線源，可以放出強(qiáng)度2.6MEV的伽馬射線。2.6MEV伽馬射線有多強(qiáng)呢？我們?nèi)粘８鼮槭煜さ拟?0的伽馬射線只有1.33MEV，在1992年山西太原鈷60輻射事件中，一個(gè)工人誤撿了一枚廢棄的鈷60放射源（已超過2倍半衰期，但仍有強(qiáng)烈輻射），結(jié)果導(dǎo)致了他本人和多個(gè)近親屬死亡的悲劇，而最終該放射源被工人倒到太原一處公園的垃圾堆中，專家用探測儀才得以將其找出。那么，單位輻射能是鈷60兩倍的鉈208，威力對于人體可見一斑。這樣一來，將輻照后的釷燃料取出反應(yīng)堆，并送入再加工車間分離并純化鈾233，就變得十分危險(xiǎn)。而且在用于核彈頭的情況下，由于鈾232不斷衰變?yōu)殂B208，會(huì)一直對核導(dǎo)彈的關(guān)鍵元器件持續(xù)輻射伽馬射線，大大降低核彈的使用壽命和可靠性。

因此，必須要找到一種合理的手段，能夠讓被輻照的釷燃料無需抽出反應(yīng)堆純化，就可直接利用里面的鈾233裂變輸出功率，這樣一來就勢必降低整體的輻射危險(xiǎn)。而這個(gè)時(shí)候，美國科技人員想到了熔鹽反應(yīng)堆。因此在1960年代，美國為MSRE反應(yīng)堆添加了U233，從此該反應(yīng)堆變成了“鈾釷熔鹽增殖反應(yīng)堆”。

MRSE計(jì)劃——熔鹽反應(yīng)堆和釷燃料的高潮

MSRE反應(yīng)堆結(jié)合了之前的“飛行反應(yīng)堆”研究成果，采用獨(dú)特的“雙熔鹽回路”設(shè)計(jì)。該反應(yīng)堆一回路為氟化鋰-氟化鈹-氟化鋯-四氟化鈾（33%U235和少量U233），二回路為氟化鋰-氟化鈹，以石墨作為反應(yīng)堆慢化劑。在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，一回路的熔鹽在石墨框架內(nèi)以650度溫度進(jìn)行對流，然后將溫度轉(zhuǎn)換到二回路的熔鹽中，二回路熔鹽再去加熱三回路的氣冷設(shè)備。

熔鹽反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仍然有不少難度。首先，核裂變會(huì)產(chǎn)生和裂變產(chǎn)物，而一部分核裂變產(chǎn)物會(huì)阻礙接下來的反應(yīng)，即所謂的“中子毒物”，代表性的是氙135.在切爾諾貝利事故中，正是因?yàn)殡?35累積導(dǎo)致了反應(yīng)堆不正常的低功率，導(dǎo)致操作人員為了強(qiáng)行提升功率拔出所有的控制棒，在拔出所有的控制棒后氙135衰變完畢，反應(yīng)堆頓時(shí)爆發(fā)出10倍的設(shè)計(jì)功率而大爆炸。因此在熔鹽反應(yīng)堆中，也必須設(shè)計(jì)特殊的裝置讓氙135及時(shí)以氣體形式溢出，避免毒化反應(yīng)堆。

第二，熔鹽反應(yīng)堆在高溫，高氟離子環(huán)境工作，該環(huán)境對于不銹鋼合金反應(yīng)堆外殼具有顯著的電化學(xué)腐蝕效果，加上長期高溫運(yùn)轉(zhuǎn)，鋼材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì)受到影響。因此在使用中，必須要讓反應(yīng)堆的外殼盡可能降低腐蝕速度。

第三，由于一回路循環(huán)的熔鹽本身也是核燃料，這意味著整個(gè)一回路循環(huán)系統(tǒng)都會(huì)釋放強(qiáng)烈的裂變輻射，因此整個(gè)一回路循環(huán)系統(tǒng)必須包裹在安全殼之內(nèi)。

第四，也是最關(guān)鍵的：裂變產(chǎn)物除了中子毒物氙以外，還有一種非常重要的元素——碲。碲在高溫的情況下，會(huì)和反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)——主要是不銹鋼產(chǎn)生化合反應(yīng)，從而使得金屬表面出現(xiàn)裂紋。雖然美國認(rèn)為加入鈮會(huì)降低碲的侵蝕性，但是實(shí)際上在長達(dá)30年的高強(qiáng)度使用中，在氟化物、電化學(xué)腐蝕和碲脆化腐蝕下，沒有什么金屬能確保安全無虞。而一旦出現(xiàn)反應(yīng)堆外殼或管道開裂，溫度高達(dá)500-600度的高溫高輻射熔鹽會(huì)迅速如同火山巖漿一般燒掉整個(gè)廠房，并產(chǎn)生大規(guī)模的核污染。

因此由于技術(shù)問題無法解決，MSRE反應(yīng)堆最終在1969年，運(yùn)轉(zhuǎn)僅5年后就關(guān)停了。

在反應(yīng)堆關(guān)停后，美國人一直未拆除反應(yīng)堆，只是把溫度維持在150度以避免輻射產(chǎn)物從熔鹽中析出。但是在1990年代，美國人卻發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)堆關(guān)停后，實(shí)際上反應(yīng)堆的裂變?nèi)剂先匀荒軌蜻_(dá)到核臨界水平，差一點(diǎn)引發(fā)臨界事故。同時(shí)，由于熔鹽大多數(shù)為氟化物，在幾十年儲(chǔ)存后，整個(gè)裝置內(nèi)部已經(jīng)布滿了劇毒的氟氣，廠房中也累積了不少氟氣，極易傷害工人。在2003年，美國決定立即投資1.3億美金盡快卸載所有的鈾，避免發(fā)生臨界事故，并在2009年完成，但容器內(nèi)迄今仍然儲(chǔ)存著大量熔鹽和放射性裂變產(chǎn)物。迄今為止，該反應(yīng)堆退役51年來仍然無法得到徹底處置。這說明，熔鹽反應(yīng)堆在當(dāng)年，以及在現(xiàn)在，退役都是一個(gè)較大的難題。

結(jié)語——發(fā)展科技要考慮整體社會(huì)生產(chǎn)力的承載力

馬上就要2021年了，距離蘇聯(lián)解體已經(jīng)快30年。在明天（2020年12月17日），44年來第一次從月球開采樣本的“嫦娥五號(hào)”飛船就要返回地球了，回首五十年前那個(gè)激情燃燒的冷戰(zhàn)歲月，載人登月，鉛冷快堆，熔鹽反應(yīng)堆，釷燃料，核動(dòng)力艦隊(duì)，鈦合金核潛艇，一切看起來都像是未來的科技，直至今日，有很多50年前的科技成就仍然難以復(fù)現(xiàn)。但是，當(dāng)我們靜下心思考這段歷史時(shí)，我們并不能輕易地下結(jié)論“現(xiàn)代人科技倒退”了，而是當(dāng)時(shí)的高科技成果已經(jīng)超過了當(dāng)時(shí)的科技承載力。無論是阿波羅登月，還是蘇聯(lián)的鈦合金潛艇，還是今天提到的熔鹽反應(yīng)堆，無一例外都是在技術(shù)尚不“白菜化”的時(shí)代中，靠著不惜代價(jià)的瘋狂投資，和潛在的巨大風(fēng)險(xiǎn)興建的工程。而一旦這些工程失去投資，就無法在當(dāng)時(shí)的社會(huì)環(huán)境落地生根，靠自己的商業(yè)價(jià)值實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展；而且，如果這些技術(shù)在當(dāng)年尚不可靠時(shí)，就開始量產(chǎn)鋪開，很難想象會(huì)不會(huì)又成為又一批的災(zāi)難之源（蘇聯(lián)705級(jí)核潛艇就是例證）。因此，當(dāng)我們以冷靜客觀的態(tài)度看待科技發(fā)展時(shí)，我們就會(huì)明白：一款好的能夠推廣的科技，不是它看起來如何炫酷，而是它可以安全，便捷地走入尋常百姓的生活。