中國第四代釷基熔鹽堆核電站世界第一領先美國15年

一、異軍突起的釷基融鹽堆新能源

     根據新浪網報導，中國位於甘肅省武威市民勤縣的釷基熔鹽實驗堆穩定運轉，是全球唯一建成並運行的熔鹽堆第四代核電裝置。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，因其驚人的能量密度，被科學家重新定義為中國能源轉型的戰略資源。經測算，1噸釷所能釋放的能量相當於350萬噸煤或200噸鈾。更直觀地說，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。反應爐的放射部分處於常壓狀態，即使容器被燒穿也不會爆炸。反應爐底部有凍結塞，堆芯溫度超過預設值時，凍結塞會溶解，放射性熔鹽流入應急儲存罐，核反應自動停止，熔鹽冷卻變成固體，不會擴散或洩漏，能徹底杜絕核洩漏風險。不依賴於水冷卻，而使用專門的液態冷卻劑，對水的需求很小，可以直接建到內陸地區，如沙漠等無人區。此外，其廢料放射性較低，半衰期也較短，安全性高得多。發電成本很低。釷-232在捕獲一個中子後即可轉化為可裂變的鈾-233，其天然輻射強度僅為鈾的1%，即便意外洩漏，危害性也大幅降低。這種燃料特性結合液態熔鹽的物理特性，建構了雙重安全屏障。

 

   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。

 

二、第四代核電站蓬勃發展

 

   第四代核電技術的特性是高安全性、廢棄物少及無需緊急計畫，以鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)、氣冷快堆(GFR)、超臨界水冷器(SCWR)、超高溫氣冷堆(VHTR)和熔鹽堆(MSR)等6種堆型為代表，中國山東石島灣的高溫氣冷堆、甘肅武威的釷基熔鹽堆及福建霞浦的鈉冷快堆都屬於第四代反應堆。1960年代，美國建造了第一座液態燃料熔鹽實驗堆，但由於操作複雜和管道腐蝕性高，該計畫被認為是不可行。其實釷反應器是安全的，它使用了液態燃料和熔鹽冷卻劑，後者可以防止緊急停止時發生爆炸。專家估計，中國的釷儲量足以支持中國未來2萬年內的能源需求。中國率先掌握了第四代核電技術，一躍成為全球新能源領域的領跑者，而台灣卻在搞廢核令人不剩唏噓。依據POWER網站報導，美國也有一座第四代核反應器開始建設，Kairos Power電力公司的35兆瓦示範熔鹽核反應器Hermes 的建設已在田納西州橡樹嶺正式啟動。Hermes 核電站預計於 2027 年竣工，屆時將成為 Kairos Power 的第一座核電站。中國科學院上海應用物理研究所已獲得釷熔鹽反應堆的運轉許可證，該反應堆於2018年 9月在甘肅省武威市開工建設，反應堆轉化率約為 0.1。使用含 99.95% Li-7 的富鋰鈹氟化物覆蓋層，燃料為UF4。中國的釷基熔鹽堆使用氟化鹽，當加熱到 450°C 左右時會熔化成無色透明液體。這種鹽相當於反應堆堆芯的冷卻劑。此外，熔鹽反應堆也使用液態鹽作為燃料的基質，例如直接溶解在堆芯中的釷，而不是固體燃料棒。熔鹽反應堆具有非常高的操作安全性。燃料溶解在液體中，這些反應堆在比傳統核反應堆更低的壓力下運行。

 

中國使用新型材料解決燃料鹽對管道的腐蝕作用，製造出了耐中子輻照性能的管道材料。熔鹽堆的優異性能主要來自其複合熔鹽冷卻劑的高沸點等物理化學特點，熔鹽還可以用在太陽能集熱、大規模熱能存儲和大功率電池等，熔鹽堆的廣泛使用將給能源帶來革命性變化。釷熔鹽反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽，不像鈾反應堆或輕水反應堆那樣，需要使用大量的冷卻水，所以它不需要像傳統核電站那樣需建在江河湖海邊，內陸地區、沙漠、山區、乾旱及高原地區都可以興建。釷熔鹽堆輸出的700攝氏度以上高溫可用於發電、工業熱應用、高溫制氫、海水淡化及氫吸收二氧化碳制甲醇等，可以有力緩解碳排放和環境污染問題。隨著我國科技水平的不斷發展，未來釷反應堆將會有更多的應用場景。另外也可用於太空用途，釷反應堆可以小型化，安全性高，可用於宇宙飛船。十多年來，中國為釷熔鹽堆項目開發投入了超過5.35億歐元，隨著甘肅武威釷基熔鹽堆成功運轉，中國將成為第一個有機會將該技術商業化的國家，這項技術突破將讓人類享有更豐富更安全的能源，中國承諾2060 年實現碳中和的目標，可考慮用釷核反應堆取代目前燃煤和燃氣發電廠的鍋爐。一噸釷足以為一個熔鹽反應堆供電一年，地球的釷儲量可以供應世界數万年的能源需求。釷成本低，每噸約 250,000 歐元，或 0.029 歐元/兆瓦時，而鈾約 10 歐元/兆瓦時，釷每生產 1 兆瓦時便宜約 350 倍。與傳統反應堆相比，它還有可能產生更少的長壽命放射性廢物。總體積可能比傳統反應堆少約 35 倍，以產生相同數量的能量。99.99% 的廢物將在 300 年內保持穩定，而不是目前燃料的數萬年。根據 1984 年諾貝爾物理學獎的共同獲得者卡洛·魯比亞的說法，一噸釷裂變產生的能量相當於約 200 噸鈾。鑑於 7 克鈾相當於約一噸煤，一噸釷將替代約 2800 萬噸煤，可以減少龐大的二氧化碳排放。一噸釷是一個直徑約 55 厘米的球體。一塊網球大小的釷可以讓倫敦通電一周。一噸釷足以為一個熔鹽反應堆供電一年，地球的釷儲量可以供應世界數万年的能源需求。

 

三、熔鹽堆的優點

   

   熔鹽的廣泛使用將給能源帶來革命性變化，優點如下:

(一)釷在地球儲量豐富比鈾更豐富

   釷廣泛分布於地殼中，中國探明的釷儲量約28萬噸，僅次於印度，居世界第二位。台灣也有獨居石含釷重砂，但鈾礦就要少很多了。地球地層中釷的儲量較高，遠高於鈾元素，如螢石礦中就含有釷，礦產來源要容易得多，諾貝爾物理學獎獲得者，卡羅·盧比亞曾經說過，如果用釷發電，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。

(二)廢料較少

   熔鹽堆最大的商業優勢是在核廢料的處理上，採用核廢料混合反應，無疑可以減少廢料處理難題。來自釷的放射性廢物只需要儲存大約500 年，而鈾則需要數千年。用釷製造武器級鈾也更加困難和耗時。

(三)節省水資源且環境兼容性大可選在內地及沙漠不須瀕臨河海

   釷熔鹽反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽，不像鈾反應堆或輕水反應堆那樣，需要使用大量的冷卻水，所以它不需要像傳統核電站那樣，建在江河湖海邊，內陸地區、沙漠、山區、乾旱及高原地區都可以興建，對地點更富彈性。釷基反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽，不像鈾反應堆那樣需要消耗大量的冷卻水資源，所以環境兼容性較大，在缺水的地方也可以建造和運行。

(四)熱轉換效率更高能量更大

   1噸釷能夠提供相當於200噸鈾、或者350萬噸煤所提供的能源，目前世界已知的釷儲量至少能夠為全世界提供1萬年的能源支持。所以，釷反應堆有機會緩解人類世界即將到來的能源危機，對於任何國家來說都是非常重要的戰略方向。釷基熔岩堆的堆芯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℃），液態燃料流入改進後的堆芯後達到臨界值發生裂變反應產生熱能，熱量被自身吸收並帶走，流出堆芯後重返次臨界狀態，這樣可以做到循環使用，運行時氟鹽熱容可獲得比先前的核電技術更高效率的熱能，這代表著熱電轉換效率更高，其採用布雷頓熱循環，熱點轉換效率可達到45%-50%，高於目前主流反應堆朗肯循環（33%），可利用熱量更大。

(五)釷基熔鹽堆安全性高

   釷基反應堆發電技術是比以往的核電技術反應堆安全得多的核能發電技術，它基本不會出現高溫燒毀的情況，因為當反應堆內溫度超過預定值時，其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，核反應也就隨即終止了，之後反應堆就會迅速降溫了。釷232不會發生裂變，而是需要中子轟擊轉換成鈾233同位素才能分裂，沒有中子注入，這個反應鏈就終止了。釷只會產生核能，廢料不會被拿來作為“貧鈾彈”。釷基熔鹽堆使用液態氟化釷作為燃料和冷卻劑，在反應過程中處於熔融狀態，壓力和機械應力更小，沒有爆炸的危險，並且如果管道、反應器發生破損，能夠迅速凝固，不會像福島核電站那樣污染水源。輕水堆由於壓力高，一旦發生管道破損，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大氣壓下運行，因此管道不需要太厚，使用壽命也顯著增加。具有高溫、低壓、高化學穩定性、高熱容等熱物特性，釷基熔鹽堆使用無需使用沉重而昂貴的壓力容器，適合建成緊湊、輕量化和低成本的小型模塊化反應堆;熔鹽堆採用無水冷卻技術，不會因缺冷卻水發生爐心熔毀。正常情況下釷基反應堆產生的核廢料也很少，不到鈾和鈽核反應堆的1%，而且其危險性可從幾萬年降低的幾百年。所以釷基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。

(六)用途廣

   釷熔鹽堆輸出的700攝氏度以上高溫可用於發電、工業熱應用、高溫制氫、海水淡化及氫吸收二氧化碳制甲醇等，可以有力緩解碳排放和環境污染問題。隨著我國科技水平的不斷發展，未來釷反應堆將會有更多的應用場景。另外也可用於太空用途，釷反應堆可以小型化，安全性高，可用於宇宙飛船。 

   作為國際上正在發展的第四代反應堆技術，上述六大顛覆性優勢說明釷基熔鹽堆具有突出的安全性和可開發性，中國在這方面的研究「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，若能成功運行代表著中國在這項技術上率先取得突破，可擺脫能源對外依賴。