如果中國(guó)的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆取得成功，它可能會(huì)推動(dòng)商業(yè)化，并幫助中國(guó)實(shí)現(xiàn)其氣候目標(biāo)。

中國(guó)即將啟動(dòng)一種以釷為燃料的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)堆，這讓全球科研人員興奮不已。盡管這種放射性元素以前也在反應(yīng)堆中試驗(yàn)過(guò)，但專家表示，中國(guó)是第一個(gè)嘗試將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化的國(guó)家。

這個(gè)反應(yīng)堆的不同之處在于，它內(nèi)部循環(huán)的是熔鹽而不是水。它有潛力產(chǎn)出相對(duì)安全和廉價(jià)的核能，其產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命放射性廢料也比常規(guī)反應(yīng)堆要少很多。

中國(guó)有50多座圖中這樣的常規(guī)核電站，但在甘肅省武威建成的實(shí)驗(yàn)堆是第一座釷實(shí)驗(yàn)堆。來(lái)源：Costfoto/Barcroft Media/Getty

據(jù)甘肅省政府稱，位于戈壁沙漠近郊的武威實(shí)驗(yàn)性釷反應(yīng)堆于8月底前完成建設(shè)，并計(jì)劃于本月投入試運(yùn)行。

釷是一種放射性較弱的銀色金屬，天然存在于巖石中，目前幾乎沒(méi)有任何工業(yè)用途。研究人員稱，釷在中國(guó)蓬勃發(fā)展的稀土開(kāi)采業(yè)中是一種廢料，因此，釷是進(jìn)口鈾的一種理想替代品。

潛力無(wú)限

“釷的儲(chǔ)量比鈾豐富很多，因此在50或100年后，當(dāng)鈾的儲(chǔ)量開(kāi)始減少時(shí)，釷將成為一項(xiàng)非常有用的技術(shù)，”澳大利亞核科學(xué)和技術(shù)組織的核工程師Lyndon Edwards說(shuō)，“但這項(xiàng)技術(shù)需要幾十年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)，所以我們現(xiàn)在就要開(kāi)始。”

與中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)密切合作的日本國(guó)際釷基熔鹽論壇前主席吉岡律夫（Ritsuo Yoshioka）表示，中國(guó)2011年就啟動(dòng)了熔鹽反應(yīng)堆計(jì)劃，投資約30億元人民幣（5億美元）。

武威反應(yīng)堆由上海應(yīng)用物理研究所負(fù)責(zé)運(yùn)行，其設(shè)計(jì)只能產(chǎn)生2兆瓦的熱能，僅夠滿足1000戶家庭的供電需求。如果這次的試驗(yàn)成功，中國(guó)希望在2030年前建造一個(gè)373兆瓦的反應(yīng)堆，可為數(shù)十萬(wàn)戶家庭供電。

中國(guó)國(guó)家發(fā)改委能源研究所能源模型專家姜克雋表示，這些反應(yīng)堆是幫助中國(guó)在2050年左右實(shí)現(xiàn)零碳排放目標(biāo)的“最佳技術(shù)”之一。

自然界存在的同位素釷-232不會(huì)自發(fā)裂變，但在反應(yīng)堆中受到輻照時(shí)，釷-232會(huì)吸收中子形成鈾-233，而鈾-233是一種會(huì)產(chǎn)生熱量的裂變材料。

美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)等國(guó)家已經(jīng)在其他類型的核反應(yīng)堆中用釷作為燃料進(jìn)行了測(cè)試，印度的核計(jì)劃也打算測(cè)試釷。但迄今為止，釷尚未被證明具有成本效益，因?yàn)樗奶釤挸杀颈肉櫢撸遗c自然界存在的一些鈾的同位素不同，釷需要先轉(zhuǎn)換為裂變材料。

一些研究人員支持將釷作為燃料，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為與鈾相比，釷的廢料被武器化的可能性更小，但有人認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。

來(lái)源：美國(guó)能源部/國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)

從美國(guó)到中國(guó)

如果中國(guó)啟動(dòng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)堆，這不僅將是自1969年美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員關(guān)閉其反應(yīng)堆以來(lái)運(yùn)行的首個(gè)熔鹽反應(yīng)堆，也是第一個(gè)以釷為燃料的熔鹽反應(yīng)堆。與上海應(yīng)用物理研究所合作的研究人員表示，中國(guó)的反應(yīng)堆復(fù)刻了橡樹(shù)嶺的設(shè)計(jì)，同時(shí)又在過(guò)去幾十年的制造、材料和儀器創(chuàng)新成果上改進(jìn)了原有設(shè)計(jì)。

直接參與反應(yīng)堆工作的中國(guó)研究人員并未就反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的確切開(kāi)始時(shí)間作出回應(yīng)。

麻省理工學(xué)院的核工程師Charles Forsberg說(shuō)，與常規(guī)核電站中的輕水反應(yīng)堆相比，熔鹽反應(yīng)堆的運(yùn)行溫度要高得多，意味著它們的發(fā)電效率更高。

中國(guó)的反應(yīng)堆將使用氟化鹽，當(dāng)加熱到大約450攝氏度時(shí)，氟化鹽會(huì)熔化成無(wú)色透明液體。氟化鹽可充當(dāng)冷卻劑，從反應(yīng)堆堆芯輸出熱量。此外，熔鹽反應(yīng)堆也不使用固體燃料棒，而是使用液態(tài)鹽作為釷等燃料的基質(zhì)，使其能直接融在堆芯中。

熔鹽反應(yīng)堆被認(rèn)為較為安全，因?yàn)槿剂弦呀?jīng)融在了液體中，它們的工作壓力比常規(guī)核反應(yīng)堆更低，降低了爆炸性熔毀的風(fēng)險(xiǎn)。

吉岡律夫說(shuō)，許多國(guó)家都在研究熔鹽反應(yīng)堆——用鈾產(chǎn)生更廉價(jià)的電，或使用輕水反應(yīng)堆的廢钚作為燃料——但只有中國(guó)在嘗試使用釷燃料。

印度孟買巴巴原子研究中心的釷丸。來(lái)源：Pallava Bagla/Corbis/Getty

下一代反應(yīng)堆

Forsberg認(rèn)為，中國(guó)的反應(yīng)堆將成為“一個(gè)開(kāi)展大量研究的試驗(yàn)平臺(tái)”，從分析腐蝕到表征混合物循環(huán)時(shí)放射性核素的組成等等。

“我們將獲得很多新的科學(xué)認(rèn)知，”英國(guó)班戈大學(xué)核材料科學(xué)家Simon Middleburgh表示贊同，“如果他們?cè)敢庾屛覅⑴c，我會(huì)馬上坐飛機(jī)飛過(guò)去。”

中國(guó)的反應(yīng)堆可能需要幾個(gè)月的時(shí)間才能全面運(yùn)轉(zhuǎn)。Middleburgh說(shuō)：“如果這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)了任何問(wèn)題，就必須停下來(lái)重新開(kāi)始。”例如，熔鹽泵可能會(huì)出故障，管道可能會(huì)腐蝕或堵塞。盡管如此，科學(xué)家還是對(duì)成功抱有希望。

熔鹽反應(yīng)堆只是中國(guó)投資的眾多先進(jìn)核技術(shù)之一。2002年，一個(gè)政府間論壇確定了將在2030年前快速推進(jìn)的6種很有前景的反應(yīng)堆技術(shù)，包括用鉛或鈉液體冷卻的堆型。中國(guó)為每種技術(shù)路線都制定了計(jì)劃。

香港的Lantau Group能源咨詢公司的項(xiàng)目經(jīng)理余德偉（David Fishman）表示，其中幾種堆型有望取代燃煤電廠。“在向碳中和邁進(jìn)的過(guò)程中，中國(guó)可能會(huì)淘汰（發(fā)電廠）鍋爐，并用核反應(yīng)堆進(jìn)行改造升級(jí)。”

原文以China prepares to test thorium-fuelled nuclear reactor為標(biāo)題發(fā)表在2021年9月9日的《自然》的新聞版塊上

nature

doi: 10.1038/d41586-021-02459-w