深度丨比核聚變更快更近，釷基熔鹽堆能否成為更可及的終極能源?

比水堆更遠，比聚變堆更近，釷基熔鹽堆正在一步步證明其作為終極能源的潛力。

中國科學院11月1日發布消息，近日，由中科院上海應用物理研究所牽頭建成的2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆首次實現釷鈾核燃料轉換，在國際上首次獲取釷入熔鹽堆運行後實驗數據，成為目前國際上唯一運行並實現釷燃料入堆的熔鹽堆，證明了熔鹽堆核能系統利用釷資源的技術可行性，鞏固了我國在國際熔鹽堆研究領域的引領地位。

這一科研成果的關鍵意義，不在於發電，而在於驗證了一種全新且更可持續的核燃料循環方案。釷和熔鹽堆堪稱黃金搭檔，國際公認熔鹽堆是最適合釷基核燃料高效利用的堆型。該堆型的基本原理是將釷-232溶解在高溫液態氟化鹽中，形成流動的燃料熔鹽。當堆芯發生核反應時，釷-232會吸收中子，最終轉換為裂變材料鈾-233，並持續燃燒。

對鈾資源自然稟賦不佳、但釷資源豐富的中國而言，釷鈾循環技術之於能源獨立的意義不言而喻。

實驗堆是新的核電堆型走向商業應用的基石，選址甘肅武威的釷基熔鹽實驗堆從一開始就已明確商業化目標。據澎湃新聞了解，去年開始，中科院上海應物所團隊已着手開展下一階段10MWe釷基熔鹽研究堆的設計，2026年，這座緊鄰實驗堆、具有工程中試意義的大科學裝置將啟動建設。在此基礎上，有望在2035年左右實現更高功率、更高能級的百兆瓦級示範堆的建成和併網發電，最終推動商業化應用。知情人士介紹，該項目正在申請國家重大科技任務，示範堆的最終選址尚待確定。

釷基熔鹽實驗堆堆廠房大廳 中國科學院上海應用物理研究所 圖

上世紀被擱置的技術路線，為何重煥生機？

目前，世界上大多數核電廠都使用加壓輕水反應堆（壓水堆），使用普通水作冷卻劑和慢化劑。該技術路線在高壓下將水泵至堆芯，原子核裂變釋放的能量將水加熱，然後以蒸汽形式釋放出來，從而驅動渦輪機發電。

釷基熔鹽堆是第四代核能系統的六種候選堆型之一。近年來多國對此的興趣與日俱增，熔鹽堆有潛力提供大量高效、低成本的電力，同時產生可用於各種工業應用的高溫工藝熱：用鹽替代水作為主冷卻劑，可以在大氣壓力下吸收大量熱能，從而使反應堆在非常高的溫度下運行。這可以生產高品位熱能，為鋼鐵、制氫等工業流程的脫碳提供更多可能性。熔鹽堆與生俱來固有安全、無水冷卻、常壓工作和高溫輸出等優點，被國際公認為最適配釷資源核能利用的堆型。

據澎湃新聞梳理，我國已查明的釷工業儲量約28萬噸。初步估算若能實現釷基核燃料的完全循環利用，可供使用幾千年以上，將確保國內能源的自給自足。這一技術路線不僅契合我國釷資源豐富的資源稟賦，還可與太陽能、風能、高溫熔鹽儲能、高溫制氫、煤氣油化工等產業深度融合，構建多能互補低碳複合能源系統，為我國能源安全提供全新解決方案。釷基熔鹽堆的研發，不僅為我國未來釷資源的規模化開發利用、發展第四代先進核能系統提供核心技術支撐與可行方案，地球上釷資源總儲量是鈾資源的3~4倍，釷基核燃料的有效利用對於人類發展也有着巨大的價值。

此外，基於釷鈾循環的熔鹽堆可同時滿足物理防核擴散、核廢料最小化等特點。鈾裂變會產生很多半衰期較長的超鈾元素，釷反應堆能比鈾燃料反應堆產生更少的長壽命核廢物。由於採用無水冷卻，釷基熔鹽堆只需少量的水即可運行，無需建在沿海，適用於乾旱地區。

但在成為國際先進核能研發熱點之前，熔鹽堆技術沉寂已久。

熔鹽堆研發始於20世紀40年代末的美國，主要目的是美國空軍為轟炸機尋求航空核動力。得益於氟化熔鹽冷卻劑的高熱容、高熱導、高沸點以及低蒸汽壓等特點，熔鹽堆在本徵安全性以及經濟性上具有極大的優勢和潛力。1954年，美國橡樹嶺國家實驗室建成第一個熔鹽堆實驗裝置ARE，功率為2.5MW。戰略彈道導彈的迅速發展使核動力轟炸機的研發失去了軍事應用價值，因此熔鹽堆的研發於20世紀60年代轉向民用。

橡樹嶺國家實驗室在1965年建成液態燃料熔鹽實驗堆，這是迄今世界上唯一建成並運行的液態燃料反應堆，也是唯一成功實現釷基核燃料（鈾-233） 運行的反應堆。但由於彼時“冷戰”的考慮，側重於民用的熔鹽堆計劃下馬，美國熔鹽堆研發中止。

“美國放棄釷基熔鹽堆是出於冷戰時期的戰略選擇。當時技術路線的競爭主要在釷基熔鹽堆和鈈基快堆之間，後者更易於生產武器用的核材料，因此獲得了優先發展。”上海應物所副所長蔡翔舟接受《中國科學報》採訪介紹這段歷史時表示，“氫彈之父”愛德華•泰勒生前曾將美國的這個選擇評價為“一個可以原諒的錯誤”。此外，當時全球勘探發現的鈾資源豐富，石油供應也充足，對開發釷資源缺乏緊迫性。直到21世紀，出於可持續發展和核廢料管理等考慮，釷基熔鹽堆技術才重新受到全球關注。

早在上世紀60年代末，中國科學院就提出釷基熔鹽堆的相關想法。到了1970年，中國曾選擇釷基熔鹽堆作為發展民用核能的起點。1971年，上海應物所建成了熔鹽（冷態）零功率堆。但限於當時國家整體科技、工業和經濟水平無法支撐如此超前的技術，後轉為技術相對成熟的壓水堆，也就是秦山核電站。

“重新啟動釷基熔鹽堆的技術路線，主要基於國家戰略需求。”上海應物所所長、釷基熔鹽堆核能系統戰略性先導科技專項負責人戴志敏表示，我國釷資源豐富，釷儲量遠高於鈾儲量，且與稀土資源伴生，高效利用釷資源可保障國家能源安全長達千年以上。研發釷基熔鹽堆、實現釷資源的工業應用，可以在戰略上確保我國實現能源獨立。

2011年，中科院圍繞國家能源安全與可持續發展需求，啟動戰略性先導科技專項“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）”，計劃用20年左右的時間，在國際上首先實現釷基熔鹽堆的應用，同時建立釷基熔鹽堆產業鏈和相應的科技隊伍。2017年4月，甘肅省武威市與中科院簽訂了在該市民勤縣建設釷基熔鹽堆核能系統項目的戰略合作框架協議，該項目分兩期建設，總投資220億元。2018年9月，該項目開工建設。

2023年10月11日11點08分，2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆首次實現臨界反應；2024年6月17日10點12分，首次達到滿功率運行；2024年10月，完成世界上首次熔鹽堆加釷實驗，成為目前世界上唯一運行的釷基熔鹽堆（綜合實驗平台）。

比核聚變更近的終極能源？

按照中科院多年前的規劃，目標到2030年左右全面實現掌握釷基熔鹽堆核能系統的相關科學與技術，基本完成工業示範堆建設和基於釷基熔鹽堆的低碳新能源示範裝置建設，開展熔鹽堆的商業化推廣；到2040年左右建成首座百噸級釷基乏燃料鹽干法批處理示範裝置和在線部分分離固態裂變產物示範裝置，基本實現釷鈾燃料循環。

參照當前進展，雖有數年遲滯，但中國仍是釷基熔鹽堆技術商業化的引領者。

有資深行業人士對澎湃新聞表示，基於當前的技術進展，釷基熔鹽堆的實現難度和技術瓶頸都比所有人心目中的終極能源——核聚變要小很多。儘管全球科學家已投入數十年研究，可控核聚變發電的商業化應用可能仍需等到2050年前後。

以新一代人造太陽“中國環流三號”（HL-3）為例，知情人士向澎湃新聞介紹，環流三號預計在2027年開展中國首次氘氚實驗。2035年左右，目標建成中國聚變工程實驗堆，用以全面系統展示科學可行性，實現能量轉化。2045年左右，有望建成功率大幅提升的首個商用示範堆，全面驗證工程可行性，可長時併網發電，並為後續規模化部署商用堆打下基礎。

釷資源作為鈾替代品的吸引力在增加，但釷在核能中的長期潛力，仍面臨經濟和技術挑戰。

國際原子能機構鈾資源專家Mark Mihalasky認為，作為稀土元素的一個主要來源的獨居石礦是釷的一個主要來源。如果不是目前對稀土元素的需求，不會單單為了釷含量而開採獨居石。釷是一種副產品，提取釷需要的方法比提取鈾的成本要高。就目前情況而言，能夠以具有成本效益的方式從地下挖出的釷的數量並不像鈾那樣多。但如果對釷及其在核能中的應用有更高的需求，這種情況可能會改變。 

同樣昂貴的是釷動力核裝置的研究、開發和測試。國際原子能機構燃料工程和燃料循環設施技術負責人Anzhelika Khaperskaia稱，釷的另一個障礙是它可能難以處理。作為一種能增殖但非易裂變材料，釷需要一個激勵物，如鈾或鈈，來觸發和維持鏈式反應。 

中科院表示，近百家國內科研機構、高等院校和產業集團深度參與了釷基熔鹽實驗堆研發與工程建設，攻克了設計、關鍵材料與設備研製、安裝與調試及堆安全等方面的技術難題，實現了核心材料、裝備與技術從實驗室研發到實驗堆工程驗證的跨越，實驗堆整體國產化率>90%，關鍵核心設備100%國產化，供應鏈自主可控，釷基熔鹽堆相關技術產業鏈的雛形在我國已經基本形成。

蔡翔舟對此介紹稱，中科院團隊在釷基熔鹽堆特有的關鍵技術上實現了全面突破，包括耐高溫抗腐蝕的特殊合金材料製備、熔鹽循環下的腐蝕控制技術、燃料在線分離與處理技術，以及主泵、換熱器等關鍵裝備的自主研製。

值得注意的是，2023年12月，中國船舶集團有限公司旗下江南造船（集團）有限責任公司正式發布全球首型、世界最大24000箱核動力集裝箱船船型。據介紹，該型船採用國際上先進的第四代堆型熔鹽反應堆解決方案，安全性高、反應堆高溫低壓運行，在原理上規避堆芯融化，具備防擴散與固有安全特徵。

該船型無需耐高壓容器與管路，即便發生破口事故，在環境溫度下迅速凝固，事故後除正常停堆手段外還可以把熔料鹽排出堆外，實現快速停堆、防止事故擴展。根據江南造船披露的細節，該船型相對於傳統船型動力系統布置更為緊湊，可提供更多箱位；取消了傳統煙囪機艙棚，採用首房艙方案，核電艙位於舯部。

除了科研主體之外，發電巨頭已加入推動釷基熔鹽堆的工業化進程。戴志敏在受訪時透露，上海應物所正在就此與國家電投等央企深度合作。