釷基熔鹽堆打造核能新樣式
來源：中國能源觀察 時(shí)間：2025-12-19 16:35
11月1日，中國科學(xué)院發(fā)布消息稱，由我國自主設(shè)計(jì)、研發(fā)和建設(shè)的第四代先進(jìn)裂變核能系統(tǒng)——釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆，近期在甘肅武威建成，并首次實(shí)現(xiàn)堆內(nèi)釷鈾轉(zhuǎn)化。這一核能系統(tǒng)的建成，有望打破我國核電領(lǐng)域?qū)︹櫲剂系拈L期依賴，以我國儲量相對豐富的釷元素作為核燃料，為保障國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展提供了重要支撐。
釷基核能的“前世今生”
10月的河西走廊，在甘肅武威市的戈壁灘上，2兆瓦液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆的控制室內(nèi)，儀表盤上的曲線正以穩(wěn)定的頻率跳動，當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)上彈出“鈾-233特征峰值穩(wěn)定出現(xiàn)”的紅色提示框時(shí)，現(xiàn)場爆發(fā)出壓抑了好久的歡呼聲。中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所（以下簡稱“上海應(yīng)物所”）的工程師們擊掌相慶，瞳孔映出屏幕上閃爍的數(shù)據(jù)。這是時(shí)隔60年，人類再次實(shí)現(xiàn)釷元素向核燃料的有效轉(zhuǎn)換，而這一次，主導(dǎo)者是中國。
“釷轉(zhuǎn)換成鈾，這是世界上第一次在熔鹽堆里面加釷，初步地證明了釷資源利用的可行性。這也是世界上獨(dú)一無二的釷鈾循環(huán)研究平臺，為未來示范堆建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”11月1日，中國科學(xué)院于實(shí)驗(yàn)堆現(xiàn)場召開新聞發(fā)布會，在媒體的鏡頭前，上海應(yīng)物所所長、釷基熔鹽堆專項(xiàng)負(fù)責(zé)人戴志敏說。
“至于熔鹽堆是怎么運(yùn)行的？我們叫釷鈾循環(huán)，是非常專業(yè)的一個(gè)術(shù)語。其實(shí)我們整個(gè)熔鹽堆也好、核裂變也好，關(guān)鍵是個(gè)中子。釷元素吸收一個(gè)中子以后，它會變成元素鈾-233。鈾-233才是裂變產(chǎn)生熱量的核燃料，它裂變過程中又產(chǎn)生一個(gè)中子，中子又去轟擊釷元素，又變成鈾-233，形成這樣的釷鈾循環(huán)，釋放能量。”上海應(yīng)物所黨委書記、副所長李晴暖介紹說。
據(jù)專家透露，這座實(shí)驗(yàn)堆是我國自主研發(fā)、設(shè)計(jì)和建設(shè)的第四代先進(jìn)裂變核能系統(tǒng)，也是目前國際上唯一運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)釷燃料入堆的熔鹽堆。
熔鹽堆，以熔鹽為冷卻劑，是第四代裂變核反應(yīng)堆型之一，具有本征安全、無水冷卻、常壓工作、高溫輸出、核廢料少等諸多優(yōu)點(diǎn)，是國際上公認(rèn)的可以實(shí)現(xiàn)釷燃料工業(yè)化利用的理想堆型。這座矗立在戈壁灘上的實(shí)驗(yàn)堆，外殼覆蓋著銀灰色的耐候鋼板，與周圍的黃褐色沙丘形成強(qiáng)烈視覺對比。據(jù)介紹，堆芯下方深處的特制合金容器中裝載著高溫液態(tài)氟化鹽，其中溶解的釷-232正在經(jīng)歷原子蛻變。釷基熔鹽堆的燃料鹽，由白色氟化釷、綠色氟化鈾和基鹽混合而成。用10年時(shí)間歷經(jīng)上千次調(diào)配，科研團(tuán)隊(duì)才確定了相關(guān)工藝參數(shù)。
人類對釷基熔鹽堆的研究始于冷戰(zhàn)陰云下的20世紀(jì)50年代。到1965年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室建成全球首個(gè)液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆，成功驗(yàn)證了釷鈾轉(zhuǎn)換的基本原理，但這一進(jìn)程在1976年戛然而止。之所以會出現(xiàn)這種情況，公開史料顯示，一是釷難以用于核武器制造，在冷戰(zhàn)軍備競賽中價(jià)值有限；二是當(dāng)時(shí)材料科學(xué)水平無法解決高溫熔鹽對容器的腐蝕難題，橡樹嶺實(shí)驗(yàn)堆的管道僅運(yùn)行兩年就出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏。
據(jù)了解，我國的釷基核能研究幾乎與美國同步。20世紀(jì)70年代初，上?！?28工程”曾建成零功率冷態(tài)熔鹽堆并達(dá)到臨界狀態(tài)，但受限于國家發(fā)展階段，相關(guān)研究轉(zhuǎn)而聚焦輕水堆技術(shù)。這一“擱置”直到2011年日本福島核事故之后才出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。
福島核事故讓全球重新審視核電安全問題。2011年，面向國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，中國科學(xué)院啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”，依托中國科學(xué)院體系化、建制化優(yōu)勢，成功組建并培育出國際一流的釷基熔鹽堆專業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，當(dāng)時(shí)便明確三大目標(biāo)：破解安全瓶頸、擺脫鈾資源依賴、構(gòu)建自主產(chǎn)業(yè)鏈。
經(jīng)過近15年攻堅(jiān)克難，研發(fā)團(tuán)隊(duì)從組建隊(duì)伍、搭建能力平臺，到研發(fā)新材料、突破新技術(shù)，在釷基熔鹽堆領(lǐng)域攻克一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，為我國先進(jìn)核能產(chǎn)業(yè)鏈布局筑牢科學(xué)技術(shù)根基。2023年10月11日，2兆瓦熱液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆首次實(shí)現(xiàn)臨界反應(yīng)；2024年6月17日首次達(dá)到滿功率運(yùn)行；2024年10月，順利完成世界上首次熔鹽堆加釷實(shí)驗(yàn)，成為目前全球唯一運(yùn)行的釷基熔鹽堆綜合實(shí)驗(yàn)平臺。
據(jù)悉，我國進(jìn)口鈾資源依賴度超70%，而全國每年通過稀土冶煉產(chǎn)生的數(shù)千噸釷副產(chǎn)品，長期被當(dāng)作廢料處置。這種資源稟賦的強(qiáng)烈反差，成為推動釷基熔鹽堆技術(shù)突破的原始動力。
“我國是釷和稀土在一起，稀土很多，意味著釷特別多，研究釷基熔鹽堆非常適合我國國情?！贝髦久舯硎荆叭绻覈侩娏τ免Q資源供應(yīng)的話，可以用上上千年，能夠完全確保能源安全，確保我國能源獨(dú)立?！?/p>
破解多項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)難題
從2011年專項(xiàng)啟動到2025年實(shí)驗(yàn)成功，14年間近百家科研單位組成的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，啃下了多個(gè)領(lǐng)域的“硬骨頭”。在上海應(yīng)物所的材料實(shí)驗(yàn)室里，一塊表面泛著暗金色的合金板材被置于展臺中央，旁邊的電子屏循環(huán)播放著腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
應(yīng)對熔鹽的腐蝕性是世界性難題。
為攻克這一難關(guān)，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院金屬研究所、寶鋼股份等單位，開展了近萬次材料篩選與腐蝕試驗(yàn)。他們嘗試在鎳基合金中加入鎢、鈮等元素，調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)，最終研發(fā)出Hastelloy-N改進(jìn)型合金。觀察發(fā)現(xiàn)，這種合金在700攝氏度熔鹽中會形成致密的氧化膜，將年腐蝕量控制在極小程度。
“根據(jù)最新報(bào)道，國際上熔鹽對材料的年腐蝕量約為20微米，我們通過自主研發(fā)的鎳基合金，把這個(gè)數(shù)值控制到了2微米?！贝髦久粞a(bǔ)充道，他們還成功解決了熔鹽凈化問題，將氧含量和雜質(zhì)控制在極低水平。
2023年，該合金通過了1000小時(shí)高溫熔鹽浸泡測試，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，目前已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，每噸造價(jià)較進(jìn)口材料降低30%。
比材料更具挑戰(zhàn)性的是燃料在線處理系統(tǒng)。
在整個(gè)系統(tǒng)中，一套由數(shù)百根精密管道組成的裝置格外引人注目——這就是全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的熔鹽堆燃料在線處理系統(tǒng)。傳統(tǒng)核電站換料必須停機(jī)，每次換料要耗費(fèi)數(shù)周時(shí)間，嚴(yán)重影響發(fā)電效率。這套系統(tǒng)的液態(tài)燃料能在運(yùn)行中完成“新陳代謝”：氣態(tài)裂變產(chǎn)物通過氦氣載帶隨時(shí)分離，固態(tài)裂變產(chǎn)物則通過過濾裝置不停堆引出，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。
據(jù)了解，該套系統(tǒng)的研發(fā)歷時(shí)8年，團(tuán)隊(duì)攻克了高溫熔鹽輸送、在線分析、產(chǎn)物分離等一系列技術(shù)瓶頸。其中最難的是設(shè)計(jì)離心分離機(jī)的轉(zhuǎn)速，既要保證分離效率，又要承受700攝氏度的高溫。團(tuán)隊(duì)曾在半年內(nèi)連續(xù)報(bào)廢12臺樣機(jī)，最終通過數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1.5萬轉(zhuǎn)/分鐘，分離效率達(dá)到99.9%。
2024年10月，該系統(tǒng)成功在實(shí)驗(yàn)堆中實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，使反應(yīng)堆的年運(yùn)行時(shí)間提升至350天以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)核電站300天的平均水平。
核心設(shè)備的國產(chǎn)化歷程同樣充滿艱辛。
實(shí)驗(yàn)堆的主循環(huán)泵旁，項(xiàng)目工程師正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行例行檢查。這臺高3.2米、重15噸的設(shè)備，是反應(yīng)堆的“心臟”，負(fù)責(zé)將高溫熔鹽在堆芯與換熱器之間循環(huán)輸送。據(jù)介紹，主泵研發(fā)異常艱難，2020年項(xiàng)目剛啟動時(shí)，國內(nèi)還沒有任何企業(yè)能生產(chǎn)符合要求的高溫熔鹽泵。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聯(lián)合沈鼓集團(tuán)成立專項(xiàng)攻關(guān)組，從材料選型到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，逐一突破技術(shù)難關(guān)。僅軸承設(shè)計(jì)就改了23版，最終采用碳化硅陶瓷替代傳統(tǒng)金屬軸承，成功解決了高溫潤滑問題。
截至2025年10月，實(shí)驗(yàn)堆的主容器、換熱器、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)等28項(xiàng)核心設(shè)備均實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化，整體國產(chǎn)化率超過90%?！斑@意味著我們徹底擺脫了對國外技術(shù)的依賴，建立了自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈。”戴志敏在新聞發(fā)布會上強(qiáng)調(diào)。
2024年10月，實(shí)驗(yàn)堆完成世界首次熔鹽堆加釷；2025年10月，首次實(shí)現(xiàn)釷—鈾轉(zhuǎn)換。這一系列突破背后，是近千項(xiàng)專利技術(shù)的支撐。戴志敏強(qiáng)調(diào)：“我們用14年走完了從理論到實(shí)驗(yàn)的全過程，現(xiàn)在手里的每一項(xiàng)數(shù)據(jù)都經(jīng)過了反復(fù)驗(yàn)證?！?/p>
在實(shí)驗(yàn)堆的安全展示區(qū)，一個(gè)透明的模擬裝置正進(jìn)行動態(tài)演示：當(dāng)加熱到設(shè)定溫度時(shí)，裝置底部的“冷凍閥”會自動熔化，熔鹽迅速流入地下安全罐，反應(yīng)隨即停止。
據(jù)介紹，這就是該系統(tǒng)非能動安全設(shè)計(jì)的精髓，不需要外部動力，完全依靠物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。傳統(tǒng)壓水堆運(yùn)行壓力高達(dá)15兆帕，相當(dāng)于150個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；而該反應(yīng)堆是常壓運(yùn)行，壓力與大氣壓基本持平，溫度過高會自動“熄火”，從物理原理上杜絕了堆芯熔毀風(fēng)險(xiǎn)，從根本上降低了爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
更關(guān)鍵的是，實(shí)驗(yàn)堆采用了“一體式”堆本體設(shè)計(jì)?！鞍褤Q熱器放在堆本體里面，燃料鹽是不出堆本體的，不會跑到外面來，堆容器外面還有一個(gè)安全容器，所以有幾層保護(hù)，確保放射性物質(zhì)不會泄漏?！贝髦久魪?qiáng)調(diào)說，將堆芯、換熱器、主循環(huán)泵等核心設(shè)備集成在一個(gè)不銹鋼容器內(nèi)，燃料鹽始終在密閉系統(tǒng)中循環(huán)，不與外界接觸。即使發(fā)生極端事故，放射性物質(zhì)也會被牢牢鎖在多重防護(hù)屏障內(nèi)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還通過模擬地震、洪水、喪失冷卻等12種極端場景，驗(yàn)證了反應(yīng)堆的安全性，結(jié)果顯示，放射性物質(zhì)釋放量僅為福島核事故的萬分之一。
2024年，國際原子能機(jī)構(gòu)發(fā)布的《先進(jìn)核反應(yīng)堆發(fā)展報(bào)告》中，多次呼吁加快釷基熔鹽堆技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。
從發(fā)電到多領(lǐng)域的多元價(jià)值
傳統(tǒng)核電站因需要大量冷卻水，必須建在沿海或江河湖泊附近，這極大限制了傳統(tǒng)核電的布局范圍。而釷基熔鹽堆的無水冷卻技術(shù)，徹底打破了這一地理束縛。
站在實(shí)驗(yàn)堆頂層平臺遠(yuǎn)眺，遠(yuǎn)處的風(fēng)電塔陣與光伏電站在戈壁上綿延數(shù)千米。
“它不需要用大量的水，這樣它就可以建在廣大的干旱地區(qū)，與風(fēng)電、光伏結(jié)合，也是一個(gè)‘雙碳’問題的解決方案。”面對記者采訪，戴志敏不無自豪地表示。
“我們采用氦氣作為冷卻劑，通過氣冷換熱實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，每年僅需幾十噸水用于設(shè)備冷卻，是傳統(tǒng)核電站的千分之一?！爆F(xiàn)場工作人員介紹，“這就是當(dāng)初選擇建在甘肅民勤紅沙崗的原因——這里年降水量不足200毫米，但風(fēng)能、太陽能資源豐富，正好可以與釷基熔鹽堆形成多能互補(bǔ)系統(tǒng)，讓干旱地區(qū)也能發(fā)展清潔核電?！?/p>
“風(fēng)能跟光能是看天吃飯的，熔鹽堆這樣的堆型到內(nèi)陸地區(qū)去，可以起到平衡穩(wěn)定電網(wǎng)的作用。”李晴暖補(bǔ)充介紹，“所以當(dāng)初我們選擇建在甘肅武威，打造一個(gè)多能源互補(bǔ)的系統(tǒng)?！?/p>
據(jù)報(bào)道，該實(shí)驗(yàn)堆已與周邊50千米范圍內(nèi)的2座風(fēng)電場、3座光伏電站實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)調(diào)試。“風(fēng)能和太陽能受天氣影響大，出力波動明顯，而熔鹽堆可以快速調(diào)整功率，起到‘穩(wěn)定器’的作用?！眹W(wǎng)甘肅電力公司調(diào)度中心負(fù)責(zé)人介紹，當(dāng)光伏出力不足時(shí)，堆體可在10分鐘內(nèi)將功率從50%提升至100%，有效平抑電網(wǎng)波動。
這種多能互補(bǔ)模式，為干旱地區(qū)的能源轉(zhuǎn)型提供了新思路。專家介紹，未來可以在西北、華北等缺水但新能源資源豐富的地區(qū)，大規(guī)模建設(shè)釷基熔鹽堆電站，構(gòu)建“風(fēng)光核儲”一體化能源基地。
在實(shí)驗(yàn)堆附屬的高溫制氫車間，管道中流動的高溫氦氣正將水分解為氫氣，儀表盤顯示當(dāng)時(shí)溫度穩(wěn)定在700攝氏度?！扳Q基熔鹽堆的優(yōu)勢不僅在于發(fā)電，更在于其高溫特性可以實(shí)現(xiàn)多元化應(yīng)用?！贝髦久粲脺y溫儀展示著管道溫度，“700攝氏度的高溫氦氣，既能驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電，又能直接用于制氫、制氨、煤化工等領(lǐng)域，大幅提升能源利用效率?！?/p>
車間內(nèi)，一瓶液態(tài)氫樣品被置于展示柜中，瓶身標(biāo)注著“綠氫純度99.999%”?！坝煤穗娭茪?，沒有碳排放，是真正的‘綠色氫’?！鄙虾?yīng)物所氫能研究室工作人員介紹，目前該制氫系統(tǒng)的效率達(dá)到45%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電解水制氫30%的效率，每立方米氫氣的生產(chǎn)成本可控制在15元以內(nèi)，具備商業(yè)化潛力。
此外，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還在探索熔鹽堆在高溫供暖、海水淡化等領(lǐng)域的應(yīng)用?！霸诒狈降貐^(qū)，冬季供暖能耗巨大，如果用熔鹽堆提供高溫蒸汽，既能滿足供暖需求，又能減少燃煤消耗，改善空氣質(zhì)量?！贝髦久敉嘎?，目前他們已與內(nèi)蒙古、黑龍江等地政府洽談合作，計(jì)劃開展熔鹽堆供暖示范項(xiàng)目。
商業(yè)化前夜要過三道坎
盡管技術(shù)突破足夠令人振奮，但從實(shí)驗(yàn)堆到商業(yè)電站，仍需跨越成本、人才、公眾認(rèn)知三道難關(guān)。戴志敏坦承：“目前實(shí)驗(yàn)堆的單位造價(jià)確實(shí)高于傳統(tǒng)核電，主要因?yàn)殛P(guān)鍵材料和設(shè)備尚未規(guī)?；a(chǎn)?！彼掍h一轉(zhuǎn)，“但隨著示范堆建設(shè)帶來的批量效應(yīng)，成本有望逐步下降，預(yù)計(jì)到2035年可與先進(jìn)壓水堆持平?！?/p>
人才缺口同樣不容忽視。在實(shí)驗(yàn)堆研發(fā)中心走廊的墻上，聯(lián)合培養(yǎng)公示欄顯示著12所合作高校的名單。上海應(yīng)物所人事處處長在接受采訪時(shí)介紹：“我們已與清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，每年培養(yǎng)專業(yè)人才超300人，還設(shè)立了專項(xiàng)獎學(xué)金吸引青年人才投身熔鹽堆研究。”
公眾認(rèn)知則是最微妙的挑戰(zhàn)。盡管安全性大幅提升，但“核”字仍讓部分公眾心存疑慮。在武威實(shí)驗(yàn)堆周邊的村莊，項(xiàng)目組建立了科普展廳，定期組織村民參觀。62歲的村民王生財(cái)在展廳里撫摸著反應(yīng)堆模型，接受當(dāng)?shù)孛襟w采訪時(shí)說：“剛開始聽說建核電站，晚上都睡不好覺。后來跟著參觀了3次，看到這東西是常壓運(yùn)行，還有好幾層保護(hù)，現(xiàn)在徹底放心了，聽說以后還能在電站打工?！?/p>
夕陽為戈壁鍍上金色余暉，遠(yuǎn)處的風(fēng)電塔陣與近處的反應(yīng)堆廠房構(gòu)成獨(dú)特的能源圖景。這場始于14年前的技術(shù)攻堅(jiān)，不僅破解了中國的能源困局，更開啟了人類利用核能的新賽道。（劉光林）
責(zé)任編輯：于彤彤
