中國首次實現熔鹽堆釷鈾核燃料轉換的意義

一、釷-鈾轉換突破是歷史大事

          依據科學與技術日報報導，11月初，中國科學院上海應用物理研究所主導的2兆瓦釷基熔鹽反應爐（TMSR）在甘肅完成了全球首例釷-鈾核燃料轉換。這一劃時代的突破為中國未來大規模利用釷資源，以及發展第四代先進核反應堆，提供了核心技術支持和解決方案。能源安全是人類生存攸關的問題，而核能是解決能源危機的重要選項。釷是一種可轉換為可裂變元素鈾-233的資源，而中國擁有豐富的釷儲量。TMSR是第四代核反應堆，使用釷燃料和高溫熔鹽作為冷卻劑。它能在大氣壓下運作，無需水冷，並具備高熱效率與強化的安全功能。此技術可整合太陽能、風能、熔鹽能源儲存、氫氣生產及化工等產業。藉此建立一個多能源互補、低碳複合能源系統，提升發電效率並減少碳排放。大多數傳統核電站位於沿海地區，因為冷卻反應爐需要大量冷卻水。TMSR使用液態熔鹽作為冷卻劑，不需壓力容器及大量冷卻水。由於不需要水作為冷卻劑，TMSR能在內陸地區建設核電站。TMSR使用的核燃料均勻溶解於熔融鹽冷卻劑中，並與其一同循環，允許燃料補充而無需關閉反應爐。TMSR也具備許多安全功能。當反應爐內TMSR溫度超過預定閾值時，底部凍結塞會自動熔化，攜帶核燃料的熔融鹽會全部流入熔鹽儲存槽，從而終止核反應。

            2024年6月，該反應爐首次實現全功率運轉，是全球首個釷-鈾燃料循環研究平台。目前，研究團隊正研究關鍵科學問題，目標是完成一座100兆瓦的TMSR示範堆，並於2035年開始運作。日前，中國科學院液態燃料釷基熔鹽實驗堆取得重大突破：首次實現釷鈾核燃料轉換，在國際上首次獲取釷入熔鹽堆運行後實驗數據，成為目前唯一運行並實現釷燃料入堆的熔鹽堆，初步證明了熔鹽堆核能系統利用釷資源的技術可行性，進一步鞏固了中國在國際領鹽堆領域的研究。熔鹽堆由釷基核燃料、熔鹽堆、核能綜合利用三大子系統構成，兼具固有安全性高、能量利用效率高、可實現核燃料增殖與核廢料嬗變等突出優勢。釷元素在自然界中儲量豐富，開發釷資源的核能利用，是全球能源領域長久以來的共同願景。然而，熔鹽堆的全球研發之路並非坦途，歷經起起伏伏，發展過程充滿挑戰。熔鹽堆研發始於20世紀40年代末期的美國。 1960年，橡樹嶺國家實驗室在熔鹽實驗堆研究中取得了巨大成功，證明了熔鹽堆技術的可行性與可靠性。在美國提出熔鹽堆概念後，俄羅斯、法國、日本、英國都相繼進行了熔鹽堆的研究。1964~1965年，英國進行了部分熔鹽快堆的研究工作，與美國同時進行的熔鹽熱堆研究遙相呼應。在1970年代，蘇聯進行Th-233U燃料循環、嬗變等熔鹽堆基礎研究，並與歐洲原子共同體合作提出了2400MW的熔鹽熔岩錒系元素再循環與嬗變堆(MOSART)。但1986年徹諾比事故後，俄羅斯的熔鹽堆研究停滯。20世紀70代初，中國也曾選擇釷基熔鹽堆作為發展民用核能的起始點，並於1971年建成了零功率冷態熔鹽堆並達到臨界。但限於當時的科技、工業和經濟水平，最終還是轉為建造輕水反應器。

二、為什麼熔鹽堆技術曾受到多國青睞

            釷基熔鹽堆具有五大特點：一是固有安全性高，當熔鹽堆內熔鹽溫度超過預定值時，設在底部的冷凍塞將自動熔化，攜帶核燃料的熔鹽隨即流入緊急儲存罐，使核反應終止。熔鹽堆工作操作簡單又安全。其還可建在地面10公尺以下，有利防禦恐怖破壞和戰爭攻擊。二是核燃料貯量較鈾核燃料多，專家稱釷的儲藏量是鈾資源的5~8倍。中國是釷資源大國，若能將釷用於核能發電，可保能源供應無憂。三是核廢料最小化，熔鹽堆可對核燃料和反應產進行在線添加和在線分離和處理，使得核燃料充分地燃燒，最終卸出的核廢料很少，約為目前的千分之一左右。四是可防範核擴散，傳統反應堆產生的核廢料中，有大量可生產核武器的鈽-239，因此存在核武擴散的風險，而科學界公認：釷鈾燃料循環不適於生產武器級核燃料，只能用於產生核能。五是多用途具彈性，小型模組化反應器、混合能源均為未來核能的發展方向。熔鹽堆是小型模組化反應器較為理想的堆型，同時熔鹽堆又是高溫堆，適合用作制氫等混合能源的應用。因此，總體而言，與第三代核反應堆相比，熔鹽堆更安全，也更靈活，冷卻劑為氟化鹽，冷卻後即變為固態鹽，既不易洩漏，又不會與水源接觸導致污染。

              21世紀初，第四代反應器國際論壇(GIF)將熔鹽堆納入6種最有希望的第四代候選器型之中。液態熔鹽堆將燃料直接融於冷卻劑中，利於透過線上乾法處理形成閉式循環，適合釷基核燃料的利用。人類迄今發現的有商業價值的易裂變核素有：鈾-235、鈽-239和鈾-233。其中，鈾-235是自然界唯一天然存在的可裂變元素，鈽-239需由鈾-238吸收中子後轉換而來，而鈾-233則由無法裂變的釷-232吸收中子後轉換而來。釷基核燃料的研究與鈾基核燃料一樣，也始於美國「曼哈頓」計劃，迄今已在輕水器、重水器和球床式高溫氣冷器等反應器上進行了嘗試使用。隨著能源需求的快速成長，對核燃料的需求越來越大，由於釷在地殼中蘊藏量約為鈾多倍，釷基核燃料在國際上越來越受到關注。除了具有儲量優勢，釷基核燃料還具有獨特的優勢：一是釷-232到鈾-233的轉換效率高，在熱堆中也能實現增殖。二是釷基燃料產生高毒性放射性核素較少;三是鈾-233的伴生同位素鈾-232的衰變鏈會產生短壽命強y輻射，這種固有的放射性障礙增加了化學分離的難度和成本，且易被核監測，有利於防核擴散;四是釷化學性質穩定，開採過程對環境破壞小，且價格較低廉。

三、釷基融鹽堆是中國的驕傲

           中國位於甘肅省武威市民勤縣的釷基熔鹽實驗堆早已穩定運轉並成功完成釷鈾可分裂物質轉換，是全球唯一建成並運行的熔鹽堆第四代核電裝置，中國顯然在中美科技爭霸上再勝一城。這座2兆瓦熱功率的融鹽反應器矗立在戈壁中，標誌著中國在第四代核能技術領域實現世界第一，更將釷元素的能源應用推向世界能源舞台。這種長期以來被視為稀土開採伴生廢料的灰色金屬，因其驚人的能量度，被科學家重新定義為中國能源轉型的戰略資源。僅僅1克釷蘊含的能量，就足以滿足一個一般家庭數十年的穩定用電需求。據《南華早報》等媒體報導，中國在內蒙古白雲鄂博礦床發現百萬噸級大型釷礦，預估儲量足夠使用 6 萬年，可能從根本上改變能源產業。釷是自然界存在的放射性金屬元素，其能量密度是鈾的3倍。與傳統鈾燃料核電站不同，釷反應爐的安全性更高。釷基熔鹽堆使用熔化的氟化鹽作為載熱工質，常溫下為固態，高溫下變成液態，更高溫則變成氣態。

               為何需要釷基熔鹽堆?中國推動釷基熔鹽堆源自於豐厚的釷藏量與戰略需求。能源專家估算，若將中國現有釷資源全部用於發電，以當前電力需求計算，足以支撐2萬年的能源供應。2011年，中國科學院重啟「釷基熔鹽堆核能係統」項目，正式吹響了進軍第四代核能技術的號角。科學研究團隊歷經十餘年持續攻關，成功突破核心材料與工程瓶頸。同時，實施「三步驟」國家戰略，從實驗堆（甘肅武威2兆瓦熱功率）到研究器（10兆瓦電功率），再到示範堆（60兆瓦熱功率），最終在2030年後建造百兆瓦級商業化反應器。位於甘肅省武威市民勤縣的熱功率為2兆瓦的液態燃料釷基熔鹽實驗器於2018年動工，於2023年10月首次實現臨界反應，2 023年12月成功發電，2024年6月達到滿功率運行，2024年10月完成世界首次熔鹽堆加釷實驗，2025年4月已實現連續穩定運行，成為目前全球唯一運行中的釷基熔鹽堆。至此，「三步驟」策略的第一步已經基本完成。此外，發電功率10兆瓦的小型模組化研究堆，計畫2025年在甘肅武威動工建設，重點驗證高功率、高輻照工況下的關鍵技術，為大型商業堆提供資料支撐。示範堆計畫2030年前建成。由此，中國規劃到2035年，建造5-10座釷基熔鹽商用堆。