理性看待釷基熔鹽堆

文/田力

作者供職于未來能源研究中心

作為第四代先進核能系統的核心代表，釷基熔鹽堆以其釷資源利用率高、安全性好、核廢料少等突出優勢，成為破解我國能源結構轉型與核燃料供給困境的重要方向。

近年來，我國在該領域實現了從跟跑到領跑的跨越，建成了全球唯一運行的釷基熔鹽實驗堆并完成了關鍵技術驗證，但從實驗堆到商業化應用仍需攻克一系列技術難關。

Part 01

國內技術開發現狀：從無到有，領跑全球

我國釷基熔鹽堆研發始于21世紀初。2011年，中國科學院啟動“釷基熔鹽堆核能系統”戰略性先導科技專項，集聚近百家科研機構、高校和企業組建協同創新團隊，開啟了體系化攻關之路。

經過十余年努力，我國在該領域取得了一系列里程碑式成果。2023年10月，位于甘肅民勤的2兆瓦液態燃料釷基熔鹽實驗堆首次實現臨界反應；2024年6月達成滿功率運行（只發熱、不發電），堆出口溫度達650℃；2024年10月完成世界首次熔鹽堆加釷實驗；2025年11月宣布實現釷鈾核燃料轉換，首次獲取釷入堆運行后實驗數據，初步證明了熔鹽堆利用釷資源的技術可行性。

目前，該實驗堆已成為全球唯一運行并實現釷燃料入堆的熔鹽堆，關鍵核心設備實現100%國產化，整體國產化率超90%，供應鏈完全自主可控。

科研團隊創新采用一體式堆本體設計，將堆芯、燃料鹽泵、換熱器等核心設備集成于反應堆主容器內，大幅降低放射性泄漏風險，顯著提升了系統安全性。

依托該實驗堆，我國已構建起了獨具特色的熔鹽堆和釷鈾燃料循環研究平臺，并啟動與國家電力投資集團等龍頭企業的深度合作，加速推進釷基熔鹽堆產業鏈與供應鏈建設。

根據規劃，我國將在2026年啟動10兆瓦級研究堆建設，2030年實現其滿功率運行，2035年建成百兆瓦級示范工程，逐步推進技術商業化落地。

這一系列進展，不僅鞏固了我國在國際熔鹽堆研究領域的引領地位，而且為利用我國豐富的釷資源（已探明儲量28.6萬噸，多為稀土開采伴生資源）奠定了基礎，有望破解我國鈾資源對外依存度超70%的困局。

在核心技術研發方面，我國已突破液態燃料制備、高溫熔鹽回路設計、被動安全系統等關鍵技術，開發出GH3535鎳基合金等專用結構材料并成功應用于實驗堆，核石墨制備實現國產化——中鋼新型材料（寧夏）有限公司成為國內唯一具備核石墨生產條件的企業，方大炭素研制的大規格核級石墨冷態技術性能達標，熱導率、輻照穩定性等關鍵指標滿足設計要求，打破國外壟斷。

同時，我國在釷-鈾燃料循環機理研究、堆芯物理設計等基礎領域積累了大量數據，成功完成了世界首次熔鹽堆加釷實驗與釷鈾核燃料轉換，為后續技術迭代提供了堅實的科學與工程支撐。

Part 02

核心技術難題：從實驗到商用的三道“攔路虎”

盡管我國在釷基熔鹽堆研發上取得了顯著突破，但實驗堆的成功并不意味著商業化之路暢通無阻。從啟動運行、結構材料到燃料循環，該技術路線仍面臨著多重核心技術挑戰。每一項都考驗著我國的高端制造與基礎研究實力。

（一）中子增值效率低：中間產物無效吸收引發的自持難題

釷基熔鹽堆維持鏈式反應的核心瓶頸，并非僅在于啟動階段對鈾-235中子源的依賴，更關鍵在于釷-鈾轉化鏈中存在大量中間產物的中子無效吸收，導致整體中子增值系數偏低，進而難以穩定維持鈾-233裂變鏈式反應的自持。從啟動到穩定運行的全流程來看，中子資源的“浪費”貫穿始終，大幅增加了反應自持的控制難度。

從啟動環節來看，釷-232本身無法直接裂變，需要依賴鈾-235或钚-239提供初始中子轟擊釷核，啟動釷-鈾轉化鏈（完整轉化鏈：??232Th+?1n→??233Th→（β?衰變）→??233Pa→（β?衰變）→??233U）。

這一初始依賴雖存在，但可通過優化初始燃料裝載量、提升中子利用效率等方式緩解，并非核心桎梏。真正的關鍵問題在于轉化與運行過程中：一方面，中間產物鏷-233（釷-233衰變產物）具有較高的中子吸收截面，會“無效俘獲”部分中子生成鏷-234。這部分中子本應用于轟擊釷-232生成新的釷-233，或維持鈾-233裂變。

另一方面，釷-232自身會發生寄生俘獲反應（??232Th+?1n→??233Th），雖最終仍可能轉化為鈾-233，但過程耗時較長，且占用了大量本可直接服務于鏈式反應的中子。更重要的是，轉化與裂變過程中還會生成鈾-232等副產物。其及衰變子體同樣具有強中子吸收能力，進一步加劇中子損耗。

中子的大量無效吸收直接導致釷基熔鹽堆的中子增值系數（η）偏低——每個鈾-233裂變釋放的中子中，實際能用于維持裂變或轉化釷-232的有效中子數較少。

要實現鏈式反應自持，需保證中子增值系數≥1，而釷基熔鹽堆因上述損耗，需通過精準控制堆芯設計、優化中子能譜、調整釷-鈾裝載比例等方式，才能勉強達到自持閾值，且長期運行中燃料成分變化、裂變產物積累等因素會持續波動中子增值效率，導致反應極易失穩。

目前，我國雖在實驗堆中通過優化堆芯中子能譜與釷裝載量，實現了短期鏈式反應自持，但要解決中間產物無效吸收導致的中子增值低問題，仍需在轉化機理研究、堆芯物理設計、燃料成分優化等方面取得突破性進展。

（二）結構材料三重考驗：高溫、腐蝕與輻照的極限挑戰

釷基熔鹽堆的運行環境堪稱“極端苛刻”：堆芯工作溫度高達600℃-700℃，液態氟化鹽冷卻劑兼具強腐蝕性，同時堆芯釋放的中子會對結構材料造成持續輻照損傷。

結構材料需同時滿足抗高溫、抗強腐蝕、抗輻照三大要求。其性能直接決定反應堆的安全壽命——商業堆設計壽命需達60年，而實驗堆使用的材料仍需進一步優化。

核石墨作為堆芯慢化體和反射體的核心材料，面臨著嚴峻考驗：高溫下易與熔鹽發生反應，中子輻照會導致其出現腫脹、硬化甚至微裂紋，表面微孔可能導致燃料鹽滲透形成局部熱點。

我國已開發出NG-CT-50等專用核石墨，小孔喉尺寸能有效阻隔熔鹽，模擬驗證了其優異的熔鹽阻隔能力。耐輻照試驗顯示，在400℃、30MeVNi??離子束輻照環境下，NG-CT-50核石墨輻照區域微裂紋出現少量收縮，納米級孔隙數量減少，晶體非晶化程度隨輻照深度增加而上升，且在600℃高溫環境下輻照損傷可得到一定程度恢復。但商業堆要求材料承受10-30dpa的高輻照劑量，如何在該劑量下保證長期尺寸穩定性與力學性能，仍是亟待突破的關鍵難題。

而作為回路與堆芯包殼材料的鎳基合金，同樣面臨著高溫、腐蝕與輻照疊加的“極限修羅場”考驗。我國自主研發的GH3535合金已成功應用于實驗堆，相關耐輻照試驗表明，在模擬堆芯600℃～700℃高溫環境下，經一定劑量輻照后，合金仍能保持基本力學性能，但存在輕微晶間腐蝕傾向，輻照會加劇氟離子引發的應力腐蝕開裂風險，導致材料疲勞壽命下降。

目前，我國科研團隊正通過同步輻射成像、離子束輻照實驗等手段，深入研究材料微觀結構演化規律，探索通過表面涂層、成分微調等方式提升其綜合性能，但要實現商業堆60年設計壽命所需的長期可靠性，仍需在材料成分設計與制備工藝上持續攻關。

（三）在線同步后處理：高溫放射性環境的“精細操作”難題

釷基熔鹽堆的另一大優勢是可通過在線后處理系統連續提取裂變產物、回收未燃盡燃料，實現連續運行5～7年無須停機換料。這是其區別于傳統鈾堆的核心特征之一。

需要明確的是，熔鹽堆在線后處理技術并非單一工藝，而是一套集成化技術體系，干法熔鹽電解是其中的核心關鍵環節，但并非全部。

從技術分類來看，核燃料后處理分為水法與干法，釷基熔鹽堆的燃料由多種金屬氟化物熔鹽組成，難溶于水，因此干法后處理是其唯一適配的技術路線，而熔鹽電解則是干法體系中實現元素分離的核心手段。

但在線后處理的完整流程還包括前置的氟化揮發、減壓蒸餾等工藝，以及后續的燃料重構環節，需多工藝協同才能實現燃料鹽的連續純化與循環利用。

這種復雜的技術集成，使得在線同步后處理堪稱“在刀尖上跳舞”——需在高溫、強放射性環境下，對流動的液態燃料鹽進行精準分離與提純，任何操作失誤都可能導致放射性泄漏或燃料損失。

目前，我國實驗堆仍采用批次處理方式，連續在線處理技術尚處于研發階段，其中干法熔鹽電解環節的工程化驗證是核心攻關重點。該技術的核心難點集中在三方面。

一是高溫下裂變產物的精準分離。熔鹽電解需在600℃～700℃高溫下進行，需開發專用電極材料與電解質體系，確保高效分離鈾、釷等錒系元素與裂變產物，同時避免電極腐蝕與副反應發生。

二是設備的耐輻射與密封性。電解裝置需長期在強輻射環境下工作，密封件易受高溫與輻射雙重作用老化失效，可能導致放射性物質泄漏。三是處理過程的自動化控制。電解過程中的電壓、電流、熔鹽成分等參數需實時精準調控，需開發高精度傳感器與控制系統，實現無人化操作。

此外，前置的氟化揮發工藝需高效分離鈾并轉化為UF?，減壓蒸餾環節需精準回收LiF、BeF?等載體鹽。這些環節與熔鹽電解協同匹配的穩定性，同樣是技術攻關的關鍵。

盡管我國已建成燃料鹽后處理實驗系統，且干法后處理主工藝流程已完成中試驗證，但要滿足商業堆的處理效率與安全性要求，仍需突破多工藝集成優化、大型化設備研制等一系列關鍵技術。

Part 03

展望：攻堅破難，開啟釷基能源新時代

釷基熔鹽堆是我國在第四代核能領域的“先手棋”。其技術突破不僅關乎能源安全，而且能推動我國在高溫制氫、熔鹽儲能等關聯產業的發展，構建多能互補的低碳復合能源系統。

面對上述技術難題，我國已制定清晰的攻關路線：通過國家戰略先導專項持續投入，集聚材料科學、核物理、高端制造等多領域力量，從基礎研究到工程應用進行全鏈條突破。

目前，核石墨性能優化、鎳基合金腐蝕防護、在線后處理工藝等關鍵領域的研究正在穩步推進，10兆瓦級研究堆已進入設計階段，計劃2026年啟動建設，核心任務是驗證高功率、長時間運行下的設備可靠性，為百兆瓦級堆型積累工程經驗。

從當前進展來看，距離百兆瓦級電站商業化推廣仍有約10年左右的路程。按照規劃，2035年將建成百兆瓦級示范工程并實現并網發電，開展供熱、制氫等多元化應用示范；2040年左右完成釷鈾燃料循環關鍵技術驗證，實現商業化穩定運營，屆時需通過規模化降低成本，確保其在經濟性上可與傳統核電、煤電抗衡。

隨著技術的不斷迭代，釷基熔鹽堆有望如期實現商業化突破。屆時，我國豐富的釷資源將得到充分利用，核能產業將擺脫對鈾資源的依賴，為“雙碳”目標的實現提供強有力的支撐。

當然，技術攻堅非一日之功，釷基熔鹽堆的商業化之路仍需長期堅持。憑借我國在實驗堆建設、核心材料國產化等方面的先發優勢，以及體系化的科研攻關能力，我們有理由相信，釷基熔鹽堆將成為中國引領全球能源革命的重要力量，開啟清潔、安全、可持續的能源新時代。

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