最近，關(guān)于“核”有兩件截然不同的大事，一個讓人頭疼，另一個給人希望。

讓人頭疼的自然是9 月 3 日發(fā)生在朝鮮的 6.3 級“核地震”。經(jīng)過確認(rèn)之后，此次是朝鮮在其豐溪里核試驗基地進(jìn)行了一場氫彈地下核爆實驗，這次實驗讓周邊地區(qū)再度陷入緊張。

給人希望的則是，自1976 年之后，中斷了 40 年的熔鹽堆研究終于迎來首次實驗：荷蘭核研究及顧問公司（Nuclear Research and Consultancy Group，NRG）于近日進(jìn)行了釷基熔鹽反應(yīng)堆實驗。

在這次試驗中，荷蘭核研究及顧問公司使用了一種名為“熔鹽快速反應(yīng)器”的設(shè)備來燃燒釷鹽，理論上還可以消耗目前的鈾裂變反應(yīng)爐產(chǎn)生的核廢料，將其增殖為新燃料?；谶@次測試，研究人員希望可以開發(fā)出更穩(wěn)定、能擴(kuò)展規(guī)模的釷鹽反應(yīng)爐。

此外，荷蘭核研究及顧問公司還聯(lián)合歐盟共同發(fā)起了熔鹽堆實驗工程（SALIENT）。團(tuán)隊很快就通過實驗以驗證釷基核燃料能否會增殖并發(fā)生裂變，以及釷基熔鹽堆能否達(dá)到反應(yīng)堆臨界。如果實驗順利，那么“釷基俱樂部”將再現(xiàn)活力。

今天，我們要分享的就是，“釷”和“熔鹽堆”——這對核能發(fā)電領(lǐng)域的黃金搭檔如何在經(jīng)歷了起伏演進(jìn)之后，迎來了發(fā)展的春天。

明明更安全，但熔鹽堆卻曾被“打入冷宮”

與其他類型的反應(yīng)堆相比，熔鹽堆的優(yōu)點一度非常突出。

我們都知道，核能發(fā)電的基本原理簡單易懂，那就是靠核反應(yīng)產(chǎn)生熱能，加熱“水”后用蒸汽推動發(fā)電機(jī)發(fā)電。相比于傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電，核燃料的能量密度高是煤的幾百萬倍、污染極低，且實現(xiàn)了二氧化碳零排放。

但是，這種優(yōu)秀的能源卻始終讓一部分人覺得恐慌，原因無外乎二：

首先是核廢料，由于需要濃縮且燃耗極低，傳統(tǒng)的鈾基熱核反應(yīng)堆中超過95%的燃料將變成核廢料，而因為含有超鈾元素，其放射毒性周期將長達(dá)數(shù)萬年，甚至更久。在這一方面，釷基反應(yīng)堆的優(yōu)勢巨大，由于不需要濃縮，最終的廢料不到鈾的一半，而放射毒性周期則小于兩百年，因此在核廢料的處理難度上，將有著質(zhì)的下降。

第二個原因就是事故。其中最為著名的便是1986年的切爾諾貝利核事故以及2011年的日本福島事故。由于高劑量電離輻射無色無味無臭，且殺人于無形的性質(zhì)，再加上部分放射性元素的超長半衰期，盡管1984年印度波帕爾化學(xué)工廠事故造成的人員傷亡較之切爾諾貝利有過之而無不及（死亡約15000人，數(shù)十萬人健康受到影響），三十多年過去了，大多數(shù)人能記得，就只有這一次，也是唯一一次造成重大人員傷亡的核事故。

圖丨核電站事故

然而，熔鹽堆在安全性方面的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了：

• 由于熔鹽既是燃料又是冷卻劑，因此具有天然的負(fù)反饋功能。當(dāng)反應(yīng)堆溫度過高時，進(jìn)一步的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠停止。

• 熔鹽堆無需加壓，由于本身液態(tài)，沒有堆芯熔毀的風(fēng)險。

• 相較于目前絕大多數(shù)的輕水堆發(fā)電站，熔鹽堆由于不需要大量的水作為慢化劑，選址更為自由，甚至可以考慮到放在地下以更大程度減低泄漏事故造成的損害。

看到這里，你一定好奇，既然熔鹽堆優(yōu)點這么多，為什么一直沒有火起來？

圖丨飛行器核動力引擎

對熔鹽堆的集中研究起始于美國飛行器反應(yīng)堆實驗（US Aircraft Reactor Experiment，ARE）。1946年，由美國空軍主導(dǎo)ARE的項目，希望研究出“永不疲倦的鐵鳥”——核動力轟炸機(jī)。

但最終，美軍還是意識到核動力飛行器可行性太低，而且洲際導(dǎo)彈的迅速發(fā)展讓核動力轟炸機(jī)失去了軍事價值。1961年核動力飛行器項目終止，熔鹽堆也失去了強(qiáng)有力的靠山。熔鹽堆雖然遭到軍方放逐，但在民用上依然有誘人前景。橡樹嶺實驗室在1965年以ARE為基礎(chǔ)，建成了釷基熔鹽實驗堆（MSR），這個反應(yīng)堆運行了5年。

然而，就在熔鹽堆進(jìn)入了成熟發(fā)展期的70年代初，美國原子能委員會（AEC）突然削減熔鹽堆的研發(fā)經(jīng)費。其中的原因與當(dāng)時的冷戰(zhàn)局勢息息相關(guān)。

當(dāng)時正值冷戰(zhàn)高潮，發(fā)展核武器的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)展民用核能，在核能研究規(guī)模整體收縮的背景下，適合生產(chǎn)核武原料钚的快中子增殖堆占據(jù)了穩(wěn)固的政治地位。而熔鹽堆技術(shù)又與主流反應(yīng)堆技術(shù)鮮有相似之處，最終，性能好、設(shè)計巧、側(cè)重于民用但“政治不正確”的熔鹽堆被打入冷宮。

那個時期，風(fēng)頭正勁的是壓水堆。壓水堆備受青睞并非由于水本身有什么特別優(yōu)越的性能，只不過是因為被譽為“核動力海軍之父”的海曼·里科弗（Admiral Hyman Rickover）當(dāng)時選擇了以鈾-235為燃料的壓水堆作為“鸚鵡螺”號核潛艇的動力裝置。而一旦壓水堆技術(shù)站穩(wěn)腳跟，政府就不愿意再耗費多余的財力研究其它堆型了。

于是，1976年，熔鹽堆計劃被尼克松政府叫停。這一停就是40多年。此后，除科學(xué)家在印度卡帕坎建設(shè)一個測試用的反應(yīng)爐外，熔鹽堆的相關(guān)研究也漸漸沉寂。

因歷史原因惜敗鈾的釷燃料

而熔鹽堆的好搭檔——釷燃料被冷落的原因則稍微復(fù)雜一些，但歸根結(jié)底，就是在和鈾燃料的競爭中，失敗了，而且敗的有點冤。

從核燃料來看，目前地球上具有商業(yè)價值的易裂變元素有3種：鈾-235、鈾-233和钚-239。易裂變元素能夠通過吸收中子（主要是能量較低的熱中子）以開始鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

自然界存在的易裂變元素只有鈾-235，釷-232和鈾-238則需要吸收快中子進(jìn)行增殖后，才能進(jìn)行裂變。

圖丨鈾礦

本來，釷相較于鈾來說，具有很多優(yōu)勢。首先是儲量上的碾壓，地球上已探明的釷資源的儲量至少是鈾的3到4倍。以目前的用電量來估算，現(xiàn)有的釷資源至少可以支持全球一千年的用電量。我國目前已知的釷礦就超過28萬噸。

其次，鈾裂變會產(chǎn)生很多半衰期較長的超鈾元素，如钚（Pu）、镅（Am）、镎（Np）、鋦（Cm）等。這些核廢料的處理一直是個棘手的問題。釷鈾燃料循環(huán)產(chǎn)生的钚和長壽命次錒系核素要少得多。

圖丨釷礦

此外，釷及其氧化物具有耐輻射、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)高等特性，這樣反應(yīng)堆就能在更高溫度下運行，獲得較深的燃耗，即產(chǎn)生更少的核廢料。

最后還有一點，這既是釷的優(yōu)點也是它的“缺點”：釷不適用于制造核武器，是理想的民用核燃料，有助于防止核擴(kuò)散。不幸的是，也就是因為這一點，導(dǎo)致了釷在與鈾的核燃料之爭中“全面落敗”。“無法/難以制作核武器”成為了釷基燃料被冷落的歷史原因。

再加上比如釷-232增殖來的鈾-233雖然是一種極好的裂變材料，但同時具有比鈾-235高得多的輻射性，會增加燃料棒的制作難度等技術(shù)原因，導(dǎo)致了釷燃料在“冷宮”中一呆就是半個世紀(jì)。

卷“釷”重來

轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在21世紀(jì)初。

當(dāng)時，美國能源部牽頭發(fā)起第四代反應(yīng)堆國際論壇（Generation IV International Forum，GIF），對反應(yīng)堆提出了更高的經(jīng)濟(jì)性、安全性、核廢料最小化和防擴(kuò)散性要求，并篩選出了 6種最有希望的第四代候選堆型：熔鹽堆（MSR）、超高溫堆（VHTR）、超臨界水冷堆（SCWR）、氣冷快堆（GFR）、鉛冷快堆（LFR）和鈉冷快堆（SFR）。第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)不僅包括反應(yīng)堆技術(shù)的研究，對核燃料的前處理和后處理也同樣重視，其目標(biāo)是在 2030 年開發(fā)出一種或若干種革新性核能系統(tǒng)。

圖丨福島現(xiàn)場

在四代堆的6種堆型中，熔鹽堆是唯一的液態(tài)燃料反應(yīng)堆，因此不存在堆芯熔毀問題（日本福島核事故與此有關(guān)，盡管設(shè)計上的嚴(yán)重失誤是罪魁禍?zhǔn)祝?，在緊急狀態(tài)下液態(tài)燃料可以排放到底部的儲存罐內(nèi)。

此外，熔鹽可以既作為冷卻劑也作為燃料，因此不需要制作燃料組件，故而可實現(xiàn)在線加料以及在線后處理，便于監(jiān)控和管理。另外由于熔鹽的比熱容較加壓水高，可以使反應(yīng)堆回路設(shè)計得更緊湊。

由于熔鹽堆無需固體燃料，很多科研團(tuán)隊又重新將目光投向了釷基熔鹽堆，事實上，這樣的組合不僅可行，而且效果可能還非常不錯：

首先從反應(yīng)本身來看，釷基熔鹽堆可以形成閉式燃料循環(huán)：一方面釷-232可以增殖為鈾-233為反應(yīng)堆補(bǔ)充燃料，另一方面裂變產(chǎn)物在分離器中可以分離出可利用的燃料并除去有毒的嬗變元素，然后在重新添加到熔鹽燃料中。

其次在材料上，不銹鋼在熔融的氟化鈾與氟化釷中是穩(wěn)定的，具有很好的相容性。這兩種氟化鹽在熔融狀態(tài)下具有很低的蒸汽壓力，傳熱學(xué)性和化學(xué)穩(wěn)定性很好，因此反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)所受的機(jī)械應(yīng)力較小。

更重要的一點是，熔鹽堆在40年前就成功運行了5年，積累了很多經(jīng)驗。相比于其它一些先進(jìn)堆型，熔鹽堆又獲得了歷史積累上的優(yōu)勢。

而從原理上分析，釷基熔鹽堆的實現(xiàn)難度和技術(shù)瓶頸都比所有人心目中的終極能源——核聚變要小很多。如果這個技術(shù)進(jìn)入成熟期，那么至少在未來數(shù)百年里，人類將無需再為能源問題擔(dān)憂。

盡管目前離開這個成熟期還相當(dāng)距離，但是荷蘭突破長達(dá) 40 年的空窗期，成功使用釷鹽進(jìn)行核裂變測試，讓人類朝這個目標(biāo)又邁出了扎實的一步。

而荷蘭的這次最新實驗其實并不是熔鹽堆“復(fù)興”的起點。從本世紀(jì)初開始，世界范圍內(nèi)爆發(fā)出熔鹽堆研究的新氣象，美國、法國、俄羅斯、日本、韓國、中國等國家紛紛開啟示了熔鹽堆研究計劃。

熔鹽堆再次得到關(guān)注，正是因為新世紀(jì)對于核能要求觀念的轉(zhuǎn)變，防核擴(kuò)散成為民用核能發(fā)展的主要制約問題，而釷基熔鹽堆不能用于生產(chǎn)钚的特點成為了一大優(yōu)點。

中國科學(xué)家們也正在加緊釷基熔鹽堆的研究步伐。目前，美國橡樹嶺國家實驗室與中國核電正在上海合作研究釷基熔鹽堆，并有望于2035年建成100MW液態(tài)燃料釷基熔鹽示范堆。

我們正在見證，美國橡樹嶺科學(xué)家們半個世紀(jì)前的夢想正得以重鑄。

開啟“第二核紀(jì)元”？

1942年，費米在芝加哥大學(xué)首次實現(xiàn)人工鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)，開啟了核能發(fā)展的序幕。

美國核動力奠基人艾爾文·溫伯格（A.M.Weinberg）就在《第一核紀(jì)元》中寫道，在核能發(fā)展初期，反應(yīng)堆的形成存在各種可能性：燃料有鈾-233，鈾-235，钚-239；冷卻劑有輕水，重水，氣體，液態(tài)金屬；慢化劑有輕水，重水，鈹，石墨。釷資源的“先天優(yōu)勢”似乎更能物盡其用，造福人類。但放眼望去，如今的核能帝國是以鈾為燃料的輕水堆的“天下”。

圖丨艾爾文·溫伯格

溫伯格將核能的應(yīng)用比作“浮士德式的靈魂交易”：核能為人類提供了取之不盡的新能源；同時，人類為了享用這種能源必須要建立一種前所未有的社會結(jié)構(gòu)。

但現(xiàn)實卻并沒有發(fā)展成當(dāng)初科學(xué)家所預(yù)想的那種烏托邦式愿景。核能反而以毀滅者的姿態(tài)登上歷史舞臺，它的政治意義已經(jīng)變得遠(yuǎn)高于經(jīng)濟(jì)意義。相比于技術(shù)難題，政客的冷落與公眾的質(zhì)疑才是核能發(fā)展的更大阻礙。

浮士德最終贖回了自己的靈魂，那我們是否會迎來屬于自己的輝煌的第二核紀(jì)元？

 -End-

校審：黃珊