來源：Nature Portfoli

如果中國的實驗反應堆取得成功，它可能會推動商業化，並幫助中國實現其氣候目標。

原文作者 | Smriti Mallapaty

中國即將啓動一種以釷爲燃料的核反應實驗堆，這讓全球科研人員興奮不已。儘管這種放射性元素以前也在反應堆中試驗過，但專家表示，中國是第一個嘗試將這項技術商業化的國家。

這個反應堆的不同之處在於，它內部循環的是熔鹽而不是水。它有潛力產出相對安全和廉價的核能，其產生的長壽命放射性廢料也比常規反應堆要少很多。

中國有50多座圖中這樣的常規核電站，但在甘肅省武威建成的實驗堆是第一座釷實驗堆。來源：Costfoto/Barcroft Media/Getty

據甘肅省政府稱，位於戈壁沙漠近郊的武威實驗性釷反應堆於8月底前完成建設，並計劃於本月投入試運行。

釷是一種放射性較弱的銀色金屬，天然存在於岩石中，目前幾乎沒有任何工業用途。研究人員稱，釷在中國蓬勃發展的稀土開採業中是一種廢料，因此，釷是進口鈾的一種理想替代品。

潛力無限

“釷的儲量比鈾豐富很多，因此在50或100年後，當鈾的儲量開始減少時，釷將成爲一項非常有用的技術，”澳大利亞核科學和技術組織的核工程師Lyndon Edwards說，“但這項技術需要幾十年的時間才能實現，所以我們現在就要開始。”

與中國科研團隊密切合作的日本國際釷基熔鹽論壇前主席吉岡律夫（Ritsuo Yoshioka）表示，中國2011年就啓動了熔鹽反應堆計劃，投資約30億元人民幣（5億美元）。

武威反應堆由上海應用物理研究所負責運行，其設計只能產生2兆瓦的熱能，僅夠滿足1000戶家庭的供電需求。如果這次的試驗成功，中國希望在2030年前建造一個373兆瓦的反應堆，可爲數十萬戶家庭供電。

中國國家發改委能源研究所能源模型專家姜克雋表示，這些反應堆是幫助中國在2050年左右實現零碳排放目標的“最佳技術”之一。

自然界存在的同位素釷-232不會自發裂變，但在反應堆中受到輻照時，釷-232會吸收中子形成鈾-233，而鈾-233是一種會產生熱量的裂變材料。

美國、德國和英國等國家已經在其他類型的核反應堆中用釷作爲燃料進行了測試，印度的核計劃也打算測試釷。但迄今爲止，釷尚未被證明具有成本效益，因爲它的提煉成本比鈾高，而且與自然界存在的一些鈾的同位素不同，釷需要先轉換爲裂變材料。

一些研究人員支持將釷作爲燃料，因爲他們認爲與鈾相比，釷的廢料被武器化的可能性更小，但有人認爲風險仍然存在。

來源：美國能源部/國際原子能機構

從美國到中國

如果中國啓動這個實驗堆，這不僅將是自1969年美國橡樹嶺國家實驗室研究人員關閉其反應堆以來運行的首個熔鹽反應堆，也是第一個以釷爲燃料的熔鹽反應堆。與上海應用物理研究所合作的研究人員表示，中國的反應堆復刻了橡樹嶺的設計，同時又在過去幾十年的製造、材料和儀器創新成果上改進了原有設計。

直接參與反應堆工作的中國研究人員並未就反應堆設計和試驗的確切開始時間作出回應。

麻省理工學院的核工程師Charles Forsberg說，與常規核電站中的輕水反應堆相比，熔鹽反應堆的運行溫度要高得多，意味着它們的發電效率更高。

中國的反應堆將使用氟化鹽，當加熱到大約450攝氏度時，氟化鹽會熔化成無色透明液體。氟化鹽可充當冷卻劑，從反應堆堆芯輸出熱量。此外，熔鹽反應堆也不使用固體燃料棒，而是使用液態鹽作爲釷等燃料的基質，使其能直接融在堆芯中。

熔鹽反應堆被認爲較爲安全，因爲燃料已經融在了液體中，它們的工作壓力比常規核反應堆更低，降低了爆炸性熔燬的風險。

吉岡律夫說，許多國家都在研究熔鹽反應堆——用鈾產生更廉價的電，或使用輕水反應堆的廢鈈作爲燃料——但只有中國在嘗試使用釷燃料。

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

下一個反應堆

Forsberg認爲，中國的反應堆將成爲“一個開展大量研究的試驗平臺”，從分析腐蝕到表徵混合物循環時放射性核素的組成等等。

“我們將獲得很多新的科學認知，”英國班戈大學核材料科學家Simon Middleburgh表示贊同，“如果他們願意讓我參與，我會馬上坐飛機飛過去。”

中國的反應堆可能需要幾個月的時間才能全面運轉。Middleburgh說：“如果這個過程中出現了任何問題，就必須停下來重新開始。”例如，熔鹽泵可能會出故障，管道可能會腐蝕或堵塞。儘管如此，科學家還是對成功抱有希望。

熔鹽反應堆只是中國投資的衆多先進核技術之一。2002年，一個政府間論壇確定了將在2030年前快速推進的6種很有前景的反應堆技術，包括用鉛或鈉液體冷卻的堆型。中國爲每種技術路線都制定了計劃。

香港的Lantau Group能源諮詢公司的項目經理餘德偉（David Fishman）表示，其中幾種堆型有望取代燃煤電廠。“在向碳中和邁進的過程中，中國可能會淘汰（發電廠）鍋爐，並用核反應堆進行改造升級。”

本文轉載自微信公衆號“Nature Portfoli”。原文以China prepares to test thorium-fuelled nuclear reactor爲標題發表在2021年9月9日的《自然》的新聞版塊上，鏈接：https：//www.nature.com/articles/d41586-021-02459-w？utm_source=Wechat&utm_medium=socials&utm_campaign=d41586-021-02459-w。