首个第4代“钍反应堆”在武威，当年美国放弃的技术，由中国实现

2024-05-26 12 yuneu

谈到核能，许多人仍然停留在切尔诺贝利、福岛核事故的恐怖记忆中。

但是事实上，核能作为一种高效清洁的能源形式，一直在悄然改变着我们的生活。

现在，全球有超过400个商业核电站在运行，它们提供了全球约11%的电力供应。

而我国"十四五"在此期间，在运在建核电装机也将升至7000万千瓦以上。

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然而，目前商业核电技术主要是第二代和第三代压水堆和快堆。虽然不断改进，但在安全性和经济性方面仍有许多不足。

例如对铀燃料的高度依赖-资源"富煤贫铀"在中国，这一直是制约核电发展的瓶颈。

例如核废料的处置问题，至今仍是一个世界性的挑战。

而且基熔盐堆有望克服这些难题，成为未来更安全、更经济、更可持续的核电选择。

所以，它究竟是"高"在哪里呢?

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采用液体燃料作为基熔盐堆的最大特点。

与常规反应堆使用的固体核燃料棒不同，熔盐堆的燃料是溶解在熔融氟盐介质中的铀混合物。

因为燃料处于熔融状态，一旦反应堆出现异常，燃料盐可以自动从堆芯中排出，冷却固化，从而有效防止堆芯熔化。

与此同时，这一设计也带来了另一个重大优势——能够实现核燃料的"在线供应"。

可以连续运行数十年甚至数百年，通过不断地提取燃料盐中的裂变产物，并加入新的气体。

并且，因为采用了"。;热中子增殖"在这种模式下，基熔盐堆可将-232转换为可裂变铀-233，资源利用率接近100%。

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在安全性方面，除了固有的熔盐排放机制外，基熔盐堆还具有较高的负反应温度系数，即当温度升高时，链式反应自动减弱。

此外，即使发生严重事故，也不会产生爆炸性氢气，放射性物质也难以在环境中挥发。

总体而言，即使发生福岛核事故等失水事故，也不会造成巨大的灾难。

对于中国来说，发展基熔盐堆技术还有一个特殊的意义——我国的基熔盐堆资源非常丰富，已经证明储量位居世界第二。

根据计算，仅我国的核电资源就能满足数千年甚至数万年的核电开发利用。

相比之下，世界铀资源的可采储量预计最多只有100年。

因此，我国的能源安全有望成为重要的保障。

所以，为什么这么好的技术之前没有取得突破呢？事实上，基熔盐堆的发展之路可谓一波三折。

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首先，我们把时间转回到40年代末。

第二次世界大战刚刚结束，美国在橡树岭国家实验室开始了一项绝密研究——飞机反应堆实验，以巩固核领域的领先优势。(ARE)。

该项目的目标非常大胆，即开发一种带有核反应堆的轰炸机，以实现超长航程、空中不间断巡航的能力。

当时，美国空军认为，装备这种战略核力量可以为苏联形成"随时随地"的威慑。

但传统的固体核燃料反应堆体积和重量都过大，根本无法搭载到飞机上。

因此，科学家们把目光投向了一个全新的反应堆概念——熔盐堆。

作为液体燃料，溶解在高温熔融氟盐中的铀，可大大简化反应堆结构，减轻重量。

更为重要的是，熔盐堆具有固有安全性高、燃料利用率高等优点，非常适合航空。

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随着ARE项目的推进，美国的熔盐堆研究如火如荼。

一九五四年，世界上第一个熔盐实验堆——飞机反应堆实验(ARE)虽然没有飞上天空，但是在橡树岭实验室建成了9天，验证了熔盐堆的可行性。

此后，科学家们再次将燃料从铀-235转变为碳酸盐堆，开启了碳酸盐堆的时代。

一九六四年四月，一个功率为8MW的基熔盐实验堆(MSRE)开工建设，并于次年实现第一次临界。

MSRE采用氟盐冷却剂和铀混合氟化物燃料，堆芯出口温度高达650℃，远远超过当时的其它堆。

更令人惊讶的是，这种液体燃料反应堆可以在线添加和移除核燃料，从根本上改变了传统核电站必须定期停堆换料的运行模式。

连续四年的成功运行，让熔盐堆技术一时名声大噪，成为未来备受关注的明星。

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外部环境的急剧变化，很快就给熔盐堆蒙上了阴影。

第一，美苏冷战的全面升级，使原本用于民用的熔盐堆黯然失色。

因为基熔盐堆不仅不能直接生产武器级核材料，还会消耗现有的铀、铀资源，这与美国对核武库的冷战逻辑的疯狂扩张背道而驰。

伴随着洲际导弹、潜射导弹等武器的迅速发展，携带核反应堆的轰炸机构也失去了军事价值。

美国空军决定砍掉ARE项目，转向更先进的核动力航天飞机。

失去军方支持的熔盐堆顿时陷入"军转民"财务困境。

还有“先入为主”的问题。经过多年的发展，铀基固态燃料反应堆已经相对成熟。大型商用压水堆和沸水堆相继投入运营，逐渐引领民用核电市场。

相比之下，无论是技术进步还是经济性，还处于实验阶段的熔盐堆都难以赶上。

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再加上20世纪70年代的石油危机，各国都在收缩研发预算，昂贵的新概念反应堆自然首当其冲。

一九七三年，美国原子能委员会作出决定，停止MSRE的后续研究计划，将资源集中到铀基反应堆的工程化和工业化。

一九七六年，美国能源研发署(现能源部)正式下令，停止所有熔盐堆工程。

同时，虽然苏联也进行了一些基熔盐堆的概念设计，但在切尔诺贝利事故发生后，几乎所有先进的反应堆研究都被"腰斩"。

就这样，曾经备受青睐的基熔盐堆，几乎一夜之间就沦为"弃儿"。

随着ARE、随着MSRE的关闭，大量从事熔盐堆研究的科学家也纷纷转行，大量的技术细节和经验教训被封存，整个领域陷入"。;休眠"。

这一状态一直持续到20世纪末，熔盐堆才再次进入人们的视野。

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事实上，美国放弃基熔盐堆的决定，更多的是出于政治和经济上的短视，而非技术路线本身。

事后看来，这无疑是一个重大的战略失误。

如果美国能坚持研究开发，并在上个世纪末实现商业化，那么全球能源格局就会发生根本性的变化。

然而，美国的错误，正好给了后来者一个机会。

进入21世纪，在气候变化、能源安全等问题的压力下，人们不得不重新思考核能未来的出路。

第四代核电系统国际论坛于2000年成立。(GIF),提出了六种先进的核能系统方案，大大提高了安全性、经济性和可持续性。

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其中，熔盐堆以其固有的安全性、高资源利用率、产品灵活性等优点，再次引起广泛关注。

事实上，我们国家在20世纪70年代就开始探索熔盐堆。

一九七○年二月，中国"728工程"正式设立项目，最初针对熔盐堆技术。

但是受当时工业基础的影响，最终不得不改为压水堆的开发，即后来的秦山一期工程。

然而，对基熔盐堆的研究和探索从未停止。

随着我国综合国力和科技实力的迅速提高，进入21世纪，基熔盐堆迎来了新的发展机遇。

中国科学院于2011年启动 "未来先进的核裂变能力"由上海应用物理研究所牵头实施的战略先导科技专项，基熔盐堆核能系统已成为六大方向之一。

经过五年多的研究，2016年底，中国TMSR团队成功通过了系统概念设计、关键技术验证等阶段评审，成为世界上第一支完成基熔盐堆系统方案论证的团队。

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为什么中国可以在熔盐堆技术上实现弯道超车？除了后期优势，我们还有几个独特的优势:一是我国资源储备丰富，为TMSR产业化奠定了资源基础；第二，我们采用了测试堆、示范堆、商业堆"。;三步走"渐进式发展战略，分散风险；第三，建立了一个分支机构 "产学研究使用"结合多学科人才队伍，现在有800多名专业技术人员；第四，坚持开放创新，与美国、欧洲等保持广泛的国际合作。

可说，中国正朝着基熔盐堆技术前进"领跑者"迈进。

2020年9月，随着甘肃武威2MW试验堆的建成，TMSR从图纸理论正式进入工程实践阶段，到去年更是获得了运营许可证。