世界首臺第四代核反應堆，甘肅武威釷基熔鹽堆即將發電，有什麼優勢？

tom zhang2022-01-23 08:35:19

六年前，寫了篇專欄文章，大體介紹了釷堆的前景。六年後，我們接近了成功。目前我們要考慮的就是經濟性的問題了。附專欄連結：

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zhuanlan。zhihu。com/p/20

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治水大禹2022-01-13 19:57:14

今年九月份我國政府宣佈，在西部沙漠中，已經完成了首座釷燃料熔鹽核反應堆的建設，並計劃在接下來的時間，會對這座現代化的第四代技術核反應堆，進行技術性的探索、測試和驗證。

那麼這座釷燃料熔鹽核反應堆到底有什麼重要意義？

目前，全球都在努力達到碳減排和碳中和的目標，除了推廣太陽能、風能、潮汐能和水力發電等清潔能源，核能利用也是一個很好的途徑。可控核能主要指核裂變反應堆，成熟的核反應堆工作原理，是利用放射性元素，裂變反應產生的能量來發電或產生動力。自然界存在的可裂變元素只有鈾-235，而它只佔天然鈾中的0。7%，其餘均為鈾-238。為了得到可以維持裂變反應濃度的核反應物質，必須不斷提純自然鈾礦中的鈾，以達到核反應必須的濃度。

但我們國家是一個鈾礦儲量並不豐富的國家，普及使用核能所需的核燃料，必須得補充大量進口鈾礦資源，這顯然對我國的能源安全不利。

為了提高核反應堆的原材料利用效率，可以採用增殖核反應堆技術，在核反應堆中透過反應過程中產生的快中子轟擊，可將一部分鈾-238轉變為鈽-239，鈽-239也是一種可以用於裂變反應的核燃料，這樣可以使核燃料利用率進一步提高。同樣，增殖核反應堆技術也可以將自然界中大量存在的釷-232，透過核反應堆增殖反應轉變為可裂變的鈾-233，透過鈾-233產生可持續的裂變反應，這就是釷反應堆的工作原理。

首先，從核燃料成本上來說，我國是釷元素礦產儲藏量豐富的大國，相對鈾燃料可取成本低廉。地球地層中釷的儲量較高，遠高於鈾和鈽等元素，如我國儲量很大的稀土礦和螢石礦中就含有釷元素，礦產來源要容易得多，我國目前已探明的釷蘊藏量在30萬噸以上，如果用它來發電，按照目前的電能消耗來算，中國釷的儲量能夠保證未來許多個世紀的發電供應，大致可以使用兩萬年。位於悉尼的澳大利亞核科學技術組織的核工程師林登·愛德華茲表示：“釷比鈾儲量豐富得多，因此，在50年或100年後，當鈾儲量開始減少時，釷將非常具有潛力。”

但核電站反應堆不僅僅只是考慮經濟性，對安全性要求更高，特別是在前蘇聯切爾諾貝利核電站和日本福島核電站核事故之後，公眾一直對既有的核發電技術抱有安全疑慮，各種反對核電站的示威此起彼伏，大家對核電站安全性的關切更放在第一位。

切爾諾貝利和福島核電站，這兩座反應堆都是採用鈾作為反應堆燃料，石墨和水等材料做慢化劑控制反應堆的臨界狀態，發生事故的原因都是因為無法控制核燃料的臨界狀態，產生高溫融毀堆芯，從而造成無可挽回的事故。

釷基熔鹽核反應堆發電技術，是比以往的核反應堆技術，安全得多的核能發電技術，它基本不會出現高溫燒燬堆芯的情況。釷基熔鹽核反應堆的不同尋常之處在於，內部迴圈的是熔融鹽，而不是水，它可以在高溫下工作時保持低蒸氣壓，從而降低機械應力，提高安全性。福島核電站的安全殼，就是因為失控的核反應物質超臨界的溫度，產生大量的水蒸氣和氫氣混合氧氣後產生爆炸而損毀，釋放了大量的帶輻射水蒸氣和放射性物質。

釷熔鹽核反應堆燃料和熱量迴圈工質均在管道中的熔鹽中，熔鹽必須透過快中子輻射區才能維持裂變反應，超過正常溫度時，安全裝置底部的冷凍塞就會自動熔化，攜帶核燃料的熔鹽將全部流入應急儲存罐中，不經過快中子輻射，核反應也就隨即終止，之後反應堆就會迅速降溫。 而作為燃料和冷卻工質的熔融鹽在冷卻後凝固，基本不會洩露和汙染環境。

並且，釷基熔鹽核反應堆可在反應堆執行過程中，對核燃料進行線上處理和線上新增，不需要製作燃料棒，簡化了工作流程。

因為採用增值反應，大部分的反應原料都被轉變為可用的燃料，正常情況下釷基熔鹽核反應堆產生的核廢料也很少，剩餘的核廢料不到鈾和鈽核反應堆的千分之一， 而且剩餘核廢料的半衰期比較短，因此其危害可從幾萬年降低到幾百年。所以釷基熔鹽核反應堆被看作是未來核能發電領域最安全的反應堆技術之一。

因為核燃料是溶解於氟鹽中的釷鈾混合物，氟鹽的熔點為550℃，沸點是1400℃，其工作環境可以實現常壓高溫（700℃）， 熔融狀態的燃料流入堆芯，經過快中子轟擊後達到臨界值，產生連鎖裂變反應發熱，熱量被熔融狀態的熔鹽帶走，流出堆芯後重返亞臨界狀態釋放熱量做功，並準備再次迴圈進入堆芯，這樣可以做到迴圈使用，由於氟鹽熱容量高，因此熔鹽核反應堆比先前的核電技術更高效率的熱能，熱電轉換效率更高，出口溫度高於常規的重水堆、壓水堆、沸水堆，其採用布雷頓熱迴圈，熱點轉換效率可達到45%-50%，高於目前主流反應堆朗肯迴圈（33%），可利用熱量更大。

當然釷基熔鹽核反應堆，也有需要解決的問題，比如說熔鹽核反應堆容器、管道高溫、高放射性環境長期使用下，材料的安全性，這些也是我國現在正在研發突破的關鍵技術。

可見，作為國際上正在發展的第四代反應堆技術，釷基熔鹽堆具有突出的安全性和可開發性，在這方面的研究我國已經“處於國際引領地位”， 甘肅武威釷基反應堆此次試驗意義重大，若能成功執行將代表著我國在這項技術上率先取得突破，我國在核能發電原材料上基本上就能擺脫對國外的依賴。

另外釷基熔鹽核反應堆如果採用熔鹽燃料核反應堆模式，將對核電站用水資源的要求進一步降低，滿足在沙漠和水不易得的環境發電要求，並容易實現核反應堆的小型化。上面講了釷基熔鹽核反應堆冷卻劑是複合型氟化鹽，不像鈾和鈽反應堆那樣需要消耗大量的水資源，所以環境相容性較大，特別是可以小型化核電站裝置，如果結合使用正在研發中的二氧化碳臨界工質渦輪發電機或者斯特林發動機，在缺水的地方建造和執行發電站就完全不是問題。

甚至有人猜想，是否可以將釷反應堆小型化，安裝到汽車上，實現一生只加一次燃料的核動力汽車的願景。那麼釷基熔鹽核反應堆，能不能成為新能源汽車動力，實現一次性新增燃料使用終身的能源？

從能量密度來說，這並不是一個問題。但目前利用核能的途徑，主要是核能裂變反應產生熱量推動發電或做功，目前的技術條件下，這還需要有一個臨界體積和重量，暫時還無法直接應用於家庭汽車。

而應用於特殊用途的核電池，比如火星救援中宇航員馬克·沃特尼使用的核電池，則主要是用核衰變輻射產生的熱量，利溫差發電方式變換出電能，這種方式成本高、效率比較低。在使用過程中會產生大量的熱量和輻射，必須用很厚重的鉛保護殼。這種核電池好處是，能在核材料半衰期內，長達幾年或幾十年時間，產生持續的電力輸出，但目前溫差發電核電池的輸出的功率，並不足以直接驅動汽車，僅能應用於衛星和太空探索等，對成本不敏感的，需要長時間供應持續電力的環境。

目前，也有利用放射性元素材料的放射線，在半導體PN接面上直接產生空穴電子對，產生電流的輻射福特效應核電池，因為很難製作成較大電流和體積，所以大部分的運用，都在不方便長期外部供電的，微電路和微型機器人驅動環境，比如奈米機器人和人工心臟起搏器。

所以，目前將核反應堆應用於汽車的驅動，還僅僅是一個需要長久努力的方向。

雖然如此，但釷基熔鹽核反應堆技術成熟後，有希望小型化，用於艦船、海島、沙漠，甚至將來用於外太空或月球、火星，都是值得期待的！

參考資料：

《前瞻網》9月14日的文章《世界首個！釷燃料核反應堆將在甘肅武威試執行 生產更安全、廉價的核能》

一水遮夏2022-01-14 09:37:18

這個，題目寫的不對。

四代堆的方向很多，釷堆只是其中一種。

現在已經執行的石島灣高溫氣冷堆才是首臺商用的四代堆。

七日啖2022-01-25 17:40:28

朱總理很欣慰