在全球能源需求持續(xù)增長、傳統(tǒng)能源面臨諸多挑戰(zhàn)的當(dāng)下，新型核能技術(shù)成為關(guān)注焦點。中國在釷基熔鹽堆領(lǐng)域的一系列進(jìn)展，正為能源格局帶來深遠(yuǎn)影響。
一、釷基熔鹽堆研究溯源
熔鹽堆研發(fā)始于 20 世紀(jì) 40 年代末的美國，當(dāng)時出于對未來能源的探索及核能技術(shù)發(fā)展需求，美國開啟相關(guān)研究。1965 年，橡樹嶺國家實驗室建成液態(tài)燃料熔鹽實驗堆（MSRE），這不僅是世界上唯一建成并運(yùn)行的液態(tài)燃料反應(yīng)堆，更是唯一成功實現(xiàn)釷基核燃料（鈾 - 233）運(yùn)行的反應(yīng)堆。然而，到了 70 年代，受 “冷戰(zhàn)” 等因素影響，美國的熔鹽堆研發(fā)中止，世界范圍內(nèi)國家層面的熔鹽堆研發(fā)也近乎停滯。直到 21 世紀(jì)初，能源危機(jī)、環(huán)境挑戰(zhàn)、核武技術(shù)擴(kuò)散等問題凸顯，釷基核能與熔鹽堆研發(fā)在世界范圍內(nèi)重獲生機(jī)，熔鹽堆被 “第四代核反應(yīng)堆國際論壇” 選為 6 個候選堆型之一，相關(guān)研究呈急劇上升趨勢。
二、中國釷基熔鹽堆研究歷程
（一）早期探索
20 世紀(jì) 70 年代初，中國在核能領(lǐng)域啟動 “728 工程”，選擇釷基熔鹽堆作為發(fā)展民用核能的起步點。1971 年，上海 “728 工程” 建成了零功率冷態(tài)熔鹽堆并達(dá)到臨界。但受限于當(dāng)時的科技、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)水平，后續(xù)轉(zhuǎn)為建設(shè)輕水反應(yīng)堆。
（二）重啟征程
2011 年，中科院圍繞國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，部署啟動 “未來先進(jìn)核裂變能 —— 釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）” 專項，計劃用 20 年左右時間在國際上率先實現(xiàn)釷基熔鹽堆的應(yīng)用。2017 年 4 月，甘肅省武威市與中科院簽訂在武威市民勤縣紅砂崗建設(shè)釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)項目的戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，該項目分兩期建設(shè)，總投資 220 億元。同年 11 月，中科院與甘肅省人民政府簽署了 TMSR 項目戰(zhàn)略合作框架協(xié)議。2018 年 12 月 29 日，中國科學(xué)院先進(jìn)核能創(chuàng)新研究院院長徐洪杰透露，中國已在實驗室規(guī)模全面掌握這一全新領(lǐng)域的核心技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈雛形基本形成，預(yù)計 2030 年后在全球率先實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。2023 年，中科院某研究所團(tuán)隊攻克高純釷氟鹽技術(shù)難題，采用特殊的低溫多級蒸餾純化工藝，使釷氟鹽純度達(dá)到 99.999%，有力推動了釷基熔鹽堆工程化發(fā)展。
三、中國發(fā)現(xiàn)超大型釷礦及其意義
據(jù)《南華早報》2 月 28 日報道，中國在內(nèi)蒙古白云鄂博礦區(qū)首次發(fā)現(xiàn)超大型釷礦。該釷礦儲量達(dá) 100 萬噸，據(jù)測算可供使用 6 萬年，目前已探測 40 萬噸儲量。這一發(fā)現(xiàn)堪稱中國能源領(lǐng)域的重大突破，使中國釷礦資源在全球占據(jù)重要地位，也預(yù)示著全球能源戰(zhàn)略格局可能迎來重大變革。而且，白云鄂博礦區(qū)伴生的稀土元素為釷金屬提純提供了得天獨(dú)厚的條件。釷在地殼中儲量極為豐富，1 噸釷含的能量相當(dāng)于 350 萬噸煤炭。中國已探明的釷資源夠全國使用 2 萬年，且釷資源在全球分布廣泛，更具可獲取性。
四、釷基熔鹽堆原理與優(yōu)勢
（一）原理剖析
核反應(yīng)機(jī)制：自然界中的釷主要是釷 - 232，本身不具裂變能力。在吸收一個中子后，轉(zhuǎn)變?yōu)殁Q - 233，釷 - 233 經(jīng)兩次 β 衰變成為鈾 - 233。鈾 - 233 是易裂變核素，在中子轟擊下發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放大量能量并產(chǎn)生更多中子，進(jìn)而引發(fā)其他鈾 - 233 或釷 - 232 反應(yīng)，形成自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
燃料循環(huán)特色：采用獨(dú)特的在線燃料后處理技術(shù)。反應(yīng)堆運(yùn)行時，熔鹽中的釷 - 232 不斷吸收中子生成鈾 - 233 并裂變，同時產(chǎn)生裂變產(chǎn)物。在線處理系統(tǒng)可連續(xù)分離裂變產(chǎn)物，維持熔鹽中燃料的高反應(yīng)活性，提高燃料利用率，形成以釷為基礎(chǔ)的可持續(xù)釷 - 鈾循環(huán)，與傳統(tǒng)鈾 - 钚循環(huán)相比，資源利用率更高，產(chǎn)生核廢料更少。
冷卻與傳熱過程：使用熔鹽（常見氟化物熔鹽等）作為冷卻劑，熔鹽熱物理性質(zhì)優(yōu)良，比熱容高、導(dǎo)熱系數(shù)大且蒸氣壓低，能在高溫下高效吸收和傳遞反應(yīng)堆熱量。在反應(yīng)堆內(nèi)，熔鹽在泵驅(qū)動下循環(huán)，吸收熱量升溫后進(jìn)入熱交換器，將熱量傳遞給二次冷卻劑（如水等介質(zhì)），二次冷卻劑再傳遞給蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，用于驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電，冷卻后的熔鹽返回反應(yīng)堆繼續(xù)循環(huán)。
堆芯結(jié)構(gòu)與材料：堆芯結(jié)構(gòu)通常采用液態(tài)燃料熔鹽池式或管式設(shè)計。池式中，熔鹽燃料和慢化劑等容納于大型熔鹽池；管式中，熔鹽燃料在一系列管道中流動，周圍是慢化劑和反射層，利于中子慢化、反射和核反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行。由于堆芯處于高溫、強(qiáng)輻射和強(qiáng)腐蝕環(huán)境，需特殊材料，如反應(yīng)堆容器和管道常用耐高溫、耐腐蝕的鎳基合金，核石墨用作慢化劑和反射層材料，具有良好中子慢化和耐高溫性能。
（二）顯著優(yōu)勢
安全性卓越：與傳統(tǒng)核電站靠鈾燃料和水冷卻系統(tǒng)不同，釷熔鹽堆用液態(tài)燃料和熔鹽冷卻，核燃料溶解在高溫熔鹽里。遇到地震、斷電等極端情況，熔鹽迅速凝固，可有效防止核泄漏事故發(fā)生。
選址靈活：不需要大量水源，在干旱地區(qū)甚至地下均可建設(shè)，突破了傳統(tǒng)核電站通常需建在沿海或河流附近的限制。
發(fā)電效率高：發(fā)電效率能達(dá)到 45%-50%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)核電站的 33%。1 噸釷裂變釋放的能量相當(dāng)于 350 萬噸煤或者 200 噸鈾。
核廢料處理優(yōu)勢明顯：產(chǎn)生的核廢料 100 年就能衰變到無害，處理成本僅為鈾廢料的千分之一。
五、中國釷基熔鹽堆的未來展望
2025 年 3 月，全球首座商用釷基熔鹽堆核電站將在中國甘肅武威開建。這座設(shè)計熱功率 60 兆瓦的第四代核電站，計劃 2029 年投入運(yùn)營。其采用的釷燃料可直接使用天然礦石，配合中國獨(dú)創(chuàng)的 “干法” 提純技術(shù)，核燃料制備成本降低 70%。獨(dú)創(chuàng)的 “釷 - 鈾循環(huán)” 技術(shù)，將核燃料利用率從傳統(tǒng)堆型的 1% 提升至 98%。
釷基熔鹽堆商用化后，對中國意義重大。中國石油、天然氣對外依存度超 70%，釷熔鹽堆可使中國能源自給率躍升至 90% 以上，有力保障國家能源安全，減少對外部能源的依賴。而且，釷熔鹽堆體積小，無需冷卻水，是航母理想動力源。中國船舶集團(tuán)計劃建造 30 萬噸級釷基核動力貨輪，若技術(shù)成熟，核動力航母續(xù)航力將大幅提升，甚至可能改寫海戰(zhàn)規(guī)則。此外，反應(yīng)堆余熱能蒸發(fā)海水，解決沿海城市缺水難題；助力鋼鐵、化工等高耗能行業(yè)用核能替代燃煤，推動 “雙碳” 目標(biāo)實現(xiàn)；還能使高溫裂解水制氫成本降低 50%，促進(jìn)氫能源普及。未來，中國作為全球唯一將釷基熔鹽堆商用落地的國家，釷技術(shù)有望成為新的出口王牌，在全球能源舞臺發(fā)揮更大影響力，推動全球能源格局變革。
來源：閭覽高科
