全球首發(fā)，釷基熔鹽核反應(yīng)堆甩老外30年，核電的“固態(tài)電池”來了

中國科學(xué)院官宣的重磅消息直接引爆全球能源圈：全球唯一運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)釷燃料入堆的熔鹽堆，成功完成釷 - 232 到鈾 - 233 的完整轉(zhuǎn)換。

1日，央視罕見公開報(bào)道了，第四代國產(chǎn)釷基熔鹽核反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)釷鈾轉(zhuǎn)換，開啟運(yùn)行的消息。美國、歐盟、印度追了30年的技術(shù)，中國超前首發(fā)了。

釷基熔鹽堆是第四代核電技術(shù)的核心路徑。

熔鹽堆研發(fā)始于20世紀(jì)40年代末的美國，主要目的是美國空軍為轟炸機(jī)尋求航空核動(dòng)力。1960年，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室在熔鹽實(shí)驗(yàn)堆研究中取得成功，證明了熔鹽堆技術(shù)的可行性與可靠性。但是由于其采用液態(tài)燃料與其他反應(yīng)堆主流固體燃料的概念相悖，且不能滿足冷戰(zhàn)時(shí)期提取钚的軍事需求，便失去了美國政府的支持。

在美國提出熔鹽堆概念之后，俄、日、法、英等國都相繼開展了熔鹽堆的研究。1964~1965年，英國開展了部分熔鹽快堆的研究工作，與美國同時(shí)開展的熔鹽熱堆研究遙相呼應(yīng)。

20世紀(jì)70年代，俄羅斯與歐洲原子共同體開展過Th-233U燃料循環(huán)、嬗變等熔鹽堆方面的基礎(chǔ)研究，但1986年切爾諾貝利事故，也使得俄羅斯的熔鹽堆研究幾乎停滯。

回看我國，20世紀(jì)70代初，我國也曾選擇釷基熔鹽堆作為發(fā)展民用核能的起步點(diǎn)，并于1971年建成了零功率冷態(tài)熔鹽堆并達(dá)到臨界。但限于當(dāng)時(shí)的科技、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)水平，最終還是轉(zhuǎn)為建設(shè)輕水反應(yīng)堆。

后來，上海應(yīng)物所所長、釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)負(fù)責(zé)人戴志敏提出，基于國家戰(zhàn)略需求，重新啟動(dòng)釷基熔鹽堆的技術(shù)路線，2011年，中科院圍繞國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，啟動(dòng)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”。

2023年10月11日，2MWt液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆首次實(shí)現(xiàn)臨界反應(yīng)；2024年6月17日首次達(dá)到滿功率運(yùn)行；2024年10月，完成世界上首次熔鹽堆加釷實(shí)驗(yàn)，成為目前世界上唯一運(yùn)行的釷基熔鹽堆（綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）。

在釷基熔鹽堆之前的核電站，之所以沒有解決電力的無限供應(yīng)，主要有兩大難題，而釷基熔鹽堆把這兩大難題，都給輕松解決了。

首先就是燃料供給的難題。前三代核電技術(shù)，燃料棒用的都是鈾，而我們國家是貧鈾國，截止去年，全世界已探明且隨時(shí)能開采的鈾礦儲(chǔ)量大概是550萬噸，而中國只有17萬噸，就占3個(gè)點(diǎn)。而這17萬噸的鈾礦，八成以上全是些低品相的礦石，雜質(zhì)太多了，平均含鈾量僅為0.05%，遠(yuǎn)不如澳大利亞的0.6%。

因此，中國的核電燃料，長期依賴國外的進(jìn)口鈾，2010年~2024年，進(jìn)口鈾礦占我國核電站鈾用量的比例，穩(wěn)定在83%-90% 之間。這么高的依賴度，萬一國外斷供，我們核電產(chǎn)業(yè)不就癱瘓了嗎。

現(xiàn)在該技術(shù)的亮點(diǎn)有兩個(gè)。

其一，熔鹽堆使用釷鈾核燃料。我國是釷資源大國，已探明儲(chǔ)量超 140 萬噸，占全球近 75%，光內(nèi)蒙古白云鄂博礦區(qū)就有 120 萬噸，相當(dāng)于 2.8 億噸鈾的能量。這簡直是老天爺賞飯吃。曾有專家對(duì)陸地釷資源儲(chǔ)量有過推測：如果樂觀地估計(jì)，釷的儲(chǔ)藏量是鈾資源的5~8倍。若能夠?qū)⑩Q用于生產(chǎn)核能，可保我國能源供應(yīng)千年無憂。

其次、停堆泄漏風(fēng)險(xiǎn)大減。之前的核反應(yīng)堆不管是民用還是軍用，作為反應(yīng)原料的核材料，一旦因?yàn)橥饬τ绊戵E然中止反應(yīng)，都很容易發(fā)生泄漏，比較典型的就是切爾諾貝利、日本福島這兩次。

此后，全球多國相繼收緊核電項(xiàng)目：德國宣布終止一切新建核電項(xiàng)目，美國、日本、法國先后下調(diào)核電擴(kuò)張目標(biāo)；瑞典、意大利通過立法約束本國能源部門的核電計(jì)劃。

咱們國家更是暫緩了所有內(nèi)陸核電規(guī)劃?？梢哉f福島核事故中暴露出的安全隱患，大家被鈾燃料的不穩(wěn)定性和不可靠性，給搞怕了。

但釷堆就不同了，比起鈾堆，它是全方位的穩(wěn)。釷基熔鹽堆在專門打造的高溫熔鹽環(huán)境里，通過中子轟擊釷催生鈾-235，一旦受外力影響，工作環(huán)境冷凝消失，鈾-235也隨之消失，失去反應(yīng)材料的核心堆隨即停止，泄漏風(fēng)險(xiǎn)極低。熔鹽堆可以對(duì)核燃料和反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)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。

傳統(tǒng)核反應(yīng)堆為了保證安全，需要大量冷卻水降溫，這一方面產(chǎn)生大量廢水，很容易演變成核廢水，另一方面也意味著反應(yīng)堆產(chǎn)生的能力，隨冷卻水大量損失，很浪費(fèi)。

這意味著核電站只能建在水資源相對(duì)充沛的區(qū)域，軍用艦載/艇載核反應(yīng)堆，也因此背上了沉重的冷卻負(fù)擔(dān)。

而釷基熔鹽堆因?yàn)樘厥獾姆磻?yīng)環(huán)境，對(duì)冷卻水的需求微乎其微，使得在干旱地區(qū)修建核反應(yīng)堆，充分利用偏遠(yuǎn)地區(qū)成為可能（這次實(shí)現(xiàn)釷鈾轉(zhuǎn)換的反應(yīng)堆就建在甘肅），核動(dòng)力艦艇也受益匪淺。

最簡單來說就是核泄漏的可能性接近0了，核污染的可能性接近0了，核風(fēng)險(xiǎn)基本就消除了。

然后釷元素我們國家儲(chǔ)存量非常，幾千年用不完，突破了原來核電用鈾元素被卡脖子的瓶頸，可以大規(guī)模發(fā)展綠色核電了。

核電技術(shù)界的“固態(tài)電池”已經(jīng)來了

可以說，釷基熔鹽堆有點(diǎn)類似于核電技術(shù)界的“固態(tài)電池”。

我們知道，固態(tài)電池作為下一代電池技術(shù)的重要方向，中國日本美國歐洲等一直在發(fā)力攻克，相較于傳統(tǒng)鋰離子電池，由于固態(tài)電池完全去除了電池中的液體元素，大大提高存儲(chǔ)和電力傳輸?shù)男?，充電速度也將倍?shù)級(jí)提高。

和傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池相比，固態(tài)電解質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度很高，可以防止鋰枝晶穿刺，所以固態(tài)電池能夠使用比容量極高的鋰金屬負(fù)極材料，也杜絕了自燃風(fēng)險(xiǎn)，具備更高能量密度、更快的充電速度、更長的使用壽命以及更高的安全性。

為什么熔鹽堆技術(shù)會(huì)曾經(jīng)風(fēng)靡全球，得到多國的追捧？也是因?yàn)樗鳛楹穗娂夹g(shù)的下一代方向，首先是安全性高——當(dāng)熔鹽堆內(nèi)熔鹽溫度超過預(yù)定值時(shí)，設(shè)在底部的冷凍塞將自動(dòng)熔化，攜帶核燃料的熔鹽隨即全部流入應(yīng)急儲(chǔ)存罐，使核反應(yīng)終止，其還可建在地面10米以下，有利于防御恐怖破壞和戰(zhàn)爭襲擊。）

其次是核泄漏風(fēng)險(xiǎn)、核廢料最小化。

其三是防核武擴(kuò)散——傳統(tǒng)反應(yīng)堆所產(chǎn)生的核廢料中，有大量易于生產(chǎn)核武器的核燃料钚-239，因此存在核武器擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)，但釷-鈾燃料循環(huán)不適于生產(chǎn)武器級(jí)核燃料，只能用于產(chǎn)生核能。

此外是不依賴水源，多用途與靈活性。熔鹽堆有潛力提供大量高效、低成本的電力，同時(shí)產(chǎn)生可用于各種工業(yè)應(yīng)用的高溫工藝熱：用鹽替代水作為主冷卻劑，可以在大氣壓力下吸收大量熱能，從而使反應(yīng)堆在非常高的溫度下運(yùn)行。這可以生產(chǎn)高品位熱能，為鋼鐵、制氫等工業(yè)流程的脫碳提供更多可能性。

如果說固態(tài)電池全方位補(bǔ)齊了液態(tài)電池續(xù)航不足、補(bǔ)能速度慢，自燃隱患，安全性不足等各方面短板，那么釷基熔鹽堆在核電技術(shù)方面，也有類似的價(jià)值與意義。

與第三代核技術(shù)相比，熔鹽堆更安全，也更靈活，冷卻劑為氟化鹽，冷卻后即變?yōu)楣虘B(tài)鹽，既不易泄漏，又不會(huì)與水源接觸導(dǎo)致污染。同時(shí)，不依賴水源，使得反應(yīng)堆選址更加自由，一旦技術(shù)成熟，可為中國內(nèi)陸核電建設(shè)提供更靈活的廠址選擇，可以說全方位解決了核電技術(shù)的短板。

這堆 “戈壁之火” 不僅讓咱們擺脫了對(duì)進(jìn)口鈾的依賴，手握能用上幾千年的能源寶庫，更證明了中國科技的硬實(shí)力。

我們或可以腦洞大開一下，以后我們國家就搞電力出口，向全世界出口，像沙特出口石油一樣，我們搞個(gè)超級(jí)大船，里面放滿儲(chǔ)能電池，充電后，一整船拉到需要的國家，然后放電給他們。這堆 “核燃料湯”，它燒出的可是人類能源的新未來，比核聚變更快更近，釷基熔鹽堆能否成為更可及的終極能源？我們拭目以待。