中國有50多座裝輕水堆核電站，武威的核反應(yīng)堆將是第一座實驗釷反應(yīng)堆。

科學(xué)家們對即將在中國開始測試的使用釷作為燃料的實驗性核反應(yīng)堆感到興奮。盡管這種放射性元素以前曾在反應(yīng)堆中進行過試驗，但專家表示，中國是第一個嘗試將該技術(shù)商業(yè)化的國家。

該反應(yīng)堆的不同尋常之處在于它內(nèi)部循環(huán)的是熔鹽而不是水。它有可能生產(chǎn)相對安全和廉價的核能，同時產(chǎn)生的極長壽命的放射性廢物比傳統(tǒng)反應(yīng)堆少得多。

據(jù)甘肅省政府稱，位于戈壁沙漠郊區(qū)的武威實驗釷反應(yīng)堆計劃在本月進行試運行。釷是一種弱放射性的銀色金屬，天然存在于巖石中，目前幾乎沒有工業(yè)用途。研究人員說，它是中國不斷發(fā)展的稀土采礦業(yè)的廢物，因此是進口鈾的有吸引力的替代品。

強大的潛力

“釷比鈾豐富得多，因此在 50 或 100 年后，當(dāng)鈾儲量開始耗盡時，它將成為一項非常有用的技術(shù)，”澳大利亞核科學(xué)與技術(shù)中心的核工程師林登愛德華茲說悉尼的組織。但這項技術(shù)需要幾十年的時間才能實現(xiàn)，所以我們需要從現(xiàn)在開始，他補充道。

與中國研究人員密切合作的日本大磯國際釷熔鹽論壇前任主席吉岡律雄表示，中國于 2011 年啟動了熔鹽反應(yīng)堆計劃，投資約 30 億元人民幣(5 億美元)。

由上海應(yīng)用物理研究所 (SINAP) 運營的武威反應(yīng)堆旨在產(chǎn)生僅 2 兆瓦的熱能，僅足以為 1,000 個家庭供電。如果試驗成功，中國希望到2030年建造一座373兆瓦的反應(yīng)堆，可為數(shù)十萬家庭供電。

國家發(fā)改委能源研究所的能源建模師姜克軍表示，這些反應(yīng)堆是幫助中國在 2050 年左右實現(xiàn)零碳排放目標(biāo)的“完美技術(shù)”之一。

天然存在的同位素釷 232 不能進行裂變，但在反應(yīng)堆中受到輻射時，它會吸收中子形成鈾 233，這是一種會產(chǎn)生熱量的裂變材料。

釷已在美國、德國和英國等國家的其他類型核反應(yīng)堆中作為燃料進行測試，并且是印度核計劃的一部分。但迄今為止，它尚未證明具有成本效益，因為它的提取成本比鈾更高，并且與某些天然存在的鈾同位素不同，它需要轉(zhuǎn)化為裂變材料。

一些研究人員支持釷作為燃料，因為他們說與鈾相比，釷的廢物被武器化的可能性更小，但其他人則認(rèn)為風(fēng)險仍然存在。

資料來源：美國能源部/國際原子能機構(gòu)

來自過去的爆炸

當(dāng)中國啟動其實驗反應(yīng)堆時，它將成為自 1969 年美國田納西州橡樹嶺國家實驗室的研究人員關(guān)閉他們以來運行的第一個熔鹽反應(yīng)堆。這將是第一個以釷為燃料的熔鹽反應(yīng)堆。與 SINAP 合作的研究人員表示，中國的設(shè)計復(fù)制了橡樹嶺的設(shè)計，但通過在制造、材料和儀器方面數(shù)十年的創(chuàng)新對其進行了改進。

與反應(yīng)堆直接相關(guān)的中國研究人員沒有回應(yīng)確認(rèn)反應(yīng)堆設(shè)計以及何時開始測試的請求。

劍橋麻省理工學(xué)院核工程師查爾斯福斯伯格說，與傳統(tǒng)核電站中的輕水反應(yīng)堆相比，熔鹽反應(yīng)堆的運行溫度要高得多，這意味著它們可以更有效地發(fā)電。

中國的反應(yīng)堆將使用氟化鹽，當(dāng)加熱到約 450 ºC 時，會熔化成無色透明液體。鹽作為冷卻劑從反應(yīng)堆堆芯傳輸熱量。此外，熔鹽反應(yīng)堆也不是固體燃料棒，而是使用液態(tài)鹽作為底物，使釷等燃料直接溶解到堆芯中。

熔鹽反應(yīng)堆被認(rèn)為是相對安全的，因為燃料已經(jīng)溶解在液體中，并且它們在比傳統(tǒng)核反應(yīng)堆更低的壓力下運行，從而降低了爆炸性熔毀的風(fēng)險。

吉岡說，許多國家正在研究熔鹽反應(yīng)堆——從鈾中產(chǎn)生更便宜的電力或使用輕水反應(yīng)堆中的廢钚作為燃料——但只有中國正在嘗試使用釷燃料。

印度孟買巴巴原子研究中心的釷顆粒。圖片來源：Pallava Bagla/Corbis/Getty

下一代反應(yīng)堆

福斯伯格說，中國的反應(yīng)堆將成為“進行大量學(xué)習(xí)的試驗臺”，從分析腐蝕到表征循環(huán)時混合物的放射性核苷酸成分。

“我們將學(xué)習(xí)很多新科學(xué)，”英國班戈大學(xué)的核材料科學(xué)家 Simon Middleburgh 表示贊同。“如果他們讓我，我會在那里的第一架飛機上。”

中國的反應(yīng)堆可能需要幾個月的時間才能全面運行。“如果途中出現(xiàn)任何問題，您將無法繼續(xù)，必須停下來重新開始，”米德爾堡說。例如，泵可能會發(fā)生故障，管道可能會腐蝕或可能會發(fā)生堵塞。盡管如此，科學(xué)家們對成功充滿希望。

熔鹽反應(yīng)堆只是中國正在投資的眾多先進核技術(shù)中的一種。2002 年，一個政府間論壇確定了六項有前途的反應(yīng)堆技術(shù)，這些技術(shù)將在 2030 年之前快速推進，包括用鉛或鈉氣體冷卻的反應(yīng)堆。中國有針對所有這些人的計劃。

香港大嶼山集團能源咨詢公司的項目經(jīng)理大衛(wèi)菲什曼說，其中一些反應(yīng)堆類型可以取代燃煤發(fā)電廠。“隨著中國邁向碳中和，它可以撤出(電廠)鍋爐，并用核反應(yīng)堆對其進行改造。”