出品：科普中國

　　製作：寒木釣萌

　　監製：中國科學院計算機網絡信息中心

　　圖片來自Ruslan Krivobok

　　一提起核燃料，我們首先想到的是鈾，但其實，有一種名字很“土”，半衰期比宇宙年齡還要長，高達140.5億年的元素，它也是鈾的超級替補，這就是釷。

　　而熔鹽堆主要是指“釷基熔鹽堆”。

　　釷是什麼

　　在科幻小說中，未來世界是可以直接“燒”岩石的，從理論上講，這並沒有誇張。因爲獨居石這種石頭中就含有大量的釷，而含量高的，可達8%。

　　8%含量看上去似乎也不是那麼高，但我們得知道，當今主流的核反應堆，以壓水堆爲例，核燃料中參與裂變的鈾235含量只在2%～4.4%之間。

　　獨居石，圖片來自Ra'ike

　　在原子家族中，釷排在第90位（原子序數），與排在第92位的鈾僅相差兩位。

　　但比鈾更優越的是，釷的含量要高得多，地球上，釷的蘊藏量是鈾的3倍到4倍，而有報道認爲，釷就跟鉛一樣普遍。總部設在美國的釷能源聯盟估計，如果美國的用電量不變，則美國的釷蘊藏量足夠給美國供電超過1000年。

　　諾貝爾物理學獎獲得者，粒子物理學家卡羅·魯比亞，他說：“目前中國通過進口鈾來滿足現有的、待建的核電站的需求，如果用釷，那麼中國就根本不需要依賴進口了。”

　　釷的蘊藏量比鈾大得多，這是世界公認的。現在的問題是，在反應堆中，釷是怎麼產生能量的？它也像鈾235一樣，會裂變嗎？

　　不會。

　　釷基熔鹽堆原理

　　鈾235的裂變動圖。

　　鈾235被中子撞擊後，裂變併產生中子，從而有連鎖反應。但釷不具備鈾235這樣的特性。不過，這不難解決。

　　古有點石成金術，而今有中子術。

　　自然界存在的釷是釷232，當它吸收一箇中子後，就變成了釷233，釷233再經過兩次β衰變，就搖身變成了鈾233。

　　而鈾233就跟我們熟悉的鈾235一樣了，只要有中子撞擊，鈾233就會裂變併產生大量中子，這些中子反過來又去將釷232增值，如此就能循環下去了。

　　有哪些優勢

　　釷基熔鹽堆中，因爲高溫，釷和其他鹽是以一種熔融的形態存在的，反應堆中，熔鹽自身既是加載核燃料的載體，且因爲是循環流動，所以它同時也是冷卻劑。

　　而像大家熟悉的壓水堆，它是通過循環水作爲冷卻劑，這讓反應爐需要常年保持在150個大氣壓左右。

　　而釷基熔鹽堆因爲可以不使用水作爲冷卻劑，因此反應爐內是在常壓下進行，安全性更高。

　　另外，又由於是常壓，所以反應堆可以做得很小很小，可以小到常規反應堆的幾百分之一，甚至千分之一，這意味着，它可以應用在覈潛艇，甚至是科幻中的核轟炸機上。

　　壓水堆中，核燃料芯塊是裝入一根有幾層金屬的管子中，構成核燃料棒，如上圖。

　　而在釷基熔鹽堆中，由於核燃料自身就是熔融狀態，所以也就無需專門製作固體燃料組件，這節約了成本。

　　既然這麼多優勢，爲何沒見商用？

　　實際上，熔鹽堆的研究是很早的，上世紀40年代末，美國空軍爲了研製能持續在天上飛行數天的核動力轟炸機， 1946年5月28日，美國空軍啓動核動力轟炸機NEPA計劃，1951年5月，NEPA計劃被ANP計劃取代，研究方向同樣還是核動力飛行，而其動力之源就是熔鹽堆。

　　核動力發動機基本原理。

　　冷空氣從右下方抽入，通過上圖的綠色管道，經過熔鹽堆，被強力加熱後，從紅色管子流向發動機尾部，向後高速噴出，以提供推力。

　　美國橡樹嶺國家實驗室承擔了ANP計劃中核能發動機的研發任務，他們於1954年建成第一個小型熔鹽堆實驗裝置，運行最高溫度達到 871℃，美國核物理學家阿爾文·溫伯格，他在《第一核紀元》一書中說，這在當時是人類首次將核反應堆運行到如此赤熱的狀態。

　　1954年建的這個熔鹽堆雖然沒有使用釷，但它證明了熔鹽堆的可行性。1966年初，另一個設計功率10兆瓦的熔鹽堆建成併成功運行，這時，釷成爲了其中的核燃料，這個釷基熔鹽實驗堆運行很平穩，除了必要的維護而臨時停堆外，它一直運行到了1969年12月，後因經費問題才徹底停堆。

　　之後，遠程轟炸機的作用逐漸被戰略彈道導彈滿足，另一個原因是，當時還是冷戰期間，而釷基熔鹽堆不像重水堆那樣，既能發電，還能從中提取核燃料造原子彈。所以，釷基熔鹽堆逐漸受到美國冷落。

　　溫伯格參與了美國熔鹽堆的研究，他對此當然耿耿於懷。有一次他說：“這個國家現在一意孤行的要發展快增殖堆，這讓其他堆型的發展變得不可能，特別是熔鹽堆，希望聯合委員會能改正這個錯誤。”

　　如今，時代變了，從冷戰時期的要大力造核武器，變成了現在的要努力防止核擴散。

　　因此，釷基熔鹽堆正在被越來越多的國家所重視。

　　中科院經過7年多的先導研究和攻關，已突破熔鹽堆多項關鍵技術，2017年11月7日，中國科學院與甘肅省共同簽署“釷基熔鹽堆”項目合作框架協議。根據報道，預計兩年後，也就是2020年左右，甘肅的釷基熔鹽實驗堆將有望建成。

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