钍基熔盐堆——跨越半个世纪的中国梦

造就第438位讲者 黄鹤飞

中科院上海应用物理研究所堆材料与工程技术部主任 研究员大家下午好，我叫黄鹤飞，来自中国科学院上海应用物理研究所。随着经济发展以及节能减排的逐步推进，我国对能源需求持续增大。裂变核能作为一种安全、高效的绿色清洁能源，必将发挥越来越重要的作用。
我们不妨先来看一下裂变核能的发展历程，从1950年的原型堆到第二代堆是一个前期的发展阶段，我国的秦山核电站就属于反应堆里面的第二代堆。上世纪90年代以后，人们对核反应堆的安全性提出了更高的要求，第三代核反应堆应运而生。当然，随着持续的发展，我们对核反应堆不仅提出了更高安全性的要求，也包括它的经济性和可持续 性，裂变核能的发展终将进入第四代核反应堆时代。
目前，在国际上公认有六种第四代裂变核反应堆型，它们包括超高温堆、超临界水堆、气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆以及熔盐堆。这六种堆型主要以冷却剂来进行区分。熔盐堆作为其中的一种，采用了熔盐作为冷却剂，具有固有安全性、防核扩散等四代先进核裂变能的一般特征，还具有常压工作、无水冷却、核废料少等特点，所以近年来在国际上熔盐堆受到了越来越广泛的关注。今天和大家分享的就是“钍基熔盐堆”。
钍基熔盐堆的钍基是什么概念？顾名思义钍基熔盐堆是希望把“钍”[1]用作核燃料，以实现钍资源的利用。我们看一组数据，1千克的钍裂变产生的能量相当于3500吨标准煤燃烧产生的热量，由此可见，钍的燃效是非常高的。
另外一点，我们国家贫铀富钍，目前我国已经探明的钍储量处于世界第二位，可见中国的钍资源是非常丰富的。再有一点，钍如果用作核燃料的话，具有增殖易、废料少、防核扩散等一系列的优点。诺贝尔物理学奖获得者，卡罗·卢比亚曾经说过，不同于其它的能源资源，中国的钍资源非常多，能够保证未来许多个世纪的供应。按照中国目前的电力需求，钍作为中国稀钍元素的一种伴生产品，它如果能够作为核燃料，足以保证中国未来两万年的电力需求，这个数据是非常惊人的。
钍的问题我们了解了，那么为什么要选择“熔盐堆”呢？这就不得不说熔盐堆具有的诸多优点了。首先，它具有在线换料的特点，其核燃料可以在线处理和添加。核反应堆通常建在地上，但是熔盐堆具有本征安全性，可以建在地下，所以熔盐堆又被称作“可建造在地底下的反应堆”。正是因为这个特性，它可以有效避免恐怖袭击，包括飞机坠落，龙卷风等一系列的自然灾害对它造成的影响。
此外，熔盐堆还具有无水冷却的特性，适应内陆缺水干旱地区，我们中科院上海应用物理研究所正在建设的钍基熔盐实验堆就选址在甘肃武威民勤的红沙岗工业园区。最后一点，熔盐堆是国际公认的钍资源利用最理想堆型，它可以实现钍铀循环，整个核废料的水平非常低。所以熔盐有另外一个称号——“没有核废料的核反应堆”。
正是基于钍基熔盐堆具有的一系列优点，2011年中国科学院启动了A类战略先导专项“钍地熔盐堆核能系统”，简称TMSR，由中科院上海应用物理研究所牵头承担。依托中科院先进核能创新研究院，TMSR组建了一支国际上规模最大的钍基熔盐堆研发队伍。并与国内外科研院所、高校及企业界进行了广泛而密切的合作，共同开展钍基熔盐堆的研发建设。
钍基熔盐堆具有诸多优点，然而想要做成也绝非易事。钍基熔盐堆的研发面临系列关键科学技术难题，需要我们努力去攻克。
比如说最典型的跟熔盐相关的技术，包括熔盐的合成制备、熔盐纯化净化、材料制备加工、熔盐腐蚀控制及熔盐回来设备等，都需要经过大量的科研攻关。还有就是钍相关的技术，包括钍燃料制备，干法离线分离技术、反应堆设计、堆设备与运行以及气体的在线分离等一系列的科学技术难题需要我们去挑战。
从2011年开始，我们整个TMSR团队经过八年的努力已经取得了多项成果。以材料工艺为例，目前钍基熔盐堆里拟用到的包括镍基高温合金、核石墨以及熔盐等材料在TMSR专项开展之前，在国内几乎是空白的，尤其是在高温应用领域。在专项实施之后，对上述材料的研制、关键性能数据获取及性能评估等进行了一系列攻关，目前相关研究进展及能力均处于国际前列。再比如熔盐堆用关键设备和仪表，之前在国内几乎也是空白，我们的研究很好的填补了国内的空白。这些技术的积累也我钍基熔盐实验堆的建设提供了强有力的支撑。
TMSR团队的研究，近年来在国际上也受到了广泛的关注和高度的评价。世界核组织的网站上，每半年会对世界范围内的熔盐堆的研究情况进行更新，我们很自豪地看到，从2016年4月份到2018年12月份，始终写着这么一句话——“中国正在引领全球的熔盐堆的研究”。
在高科技领域，MIT的技术评论杂志主编——瑞奇·马丁教授，一直十分关注熔盐堆的研究。得知TMSR专项开展后，他特意来到了中科院上海应用物理研究所进行参观与交流。事后，他写了一篇名为《失效安全的核反应堆》的评论，评论中非常感慨地写到：“半个世纪前源于美国橡树岭科学家的梦想——发明更便宜清洁的核能，将成为现实，但并不是在50多年前发明这项技术的美国，而是在几千英里之外的中国变成现实。”
TMSR专项针对钍基熔盐堆制定了实验堆、研究堆、示范堆三步走发展战略，当前实验堆正在建设中。此外，利用熔盐堆的高温输出实现制氢以及利用熔盐储能等项目研发也在同步开展，以解决“弃风弃光”等问题。未来在我国的西部的地区将看到这样的一幅图景——
将核能、高温制氢、熔盐储热和光热发电、光伏发电以及高温制氢深度结合，构建一个基于核能-可再生能源的低碳复合能源系统。
回顾一下裂变核能的发展历史，可以看到，从水堆、高温气冷堆到钠冷快堆，中国的发展均晚于欧美国家。熔盐堆方面， 1965年美国建成了第一个熔盐实验堆，中国于1971年开始零功率熔盐堆的研制，之后因种种原因熔盐堆研究在世界范围内中断了30-40年，直到2000年以后熔盐堆的研发重启。
今天，我们很高兴地看到，经过我们整个TMSR团队艰苦的攻关之后，我国的熔盐堆研究走到了世界的前列。可以说钍基熔盐堆是我们的跨越了半个世纪的一个梦，整个TMSR团队就是追梦人。而且通过整个团队的共同努力，这个梦想正在一步一步的变成现实。
谢谢大家。
注1：
钍：钍是一种放射性金属元素，带钢灰色光泽，质地柔软，化学性质较活泼。钍经过中子轰击，可得铀-233，因此它是潜在的核燃料。钍广泛分布在地壳中，是一种前景十分可观的能源材料。
钍以化合物的形式存在于矿物内（例如独居石和钍石），通常与稀土金属连系在一起，天然存在钍的是质量数为232的钍同位素。
我国钍资源比较丰富，据不完全统计。20多个省和地区都已发现具有相当数量的钍资源。2005年中国科学院的资料显示，内蒙古白云鄂博矿区钍储量约为22万吨，占全国钍矿产储量28.6万吨的77.3%。
编辑：王锐
校对：其奇
智力支持：共青团上海科学技术工作委员会