它半衰期高达140.5亿年超过宇宙年龄，然而它却是一种绝佳的核燃料
2018/3/12 17:00:00 中国科普博览

     来源：“中国科普博览”微信公众号(ID：kepubolan)

     作者：寒木钓萌

     一提起核燃料，我们首先想到的是铀，但其实，有一种名字很“土”，半衰期比宇宙年龄还要长，高达140.5亿年的元素，它也是铀的超级替补，这就是钍。而熔盐堆主要是指“钍基熔盐堆”。

    

     钍是什么

    

     在科幻小说中，未来世界是可以直接“烧”岩石的，从理论上讲，这并没有夸张。因为独居石这种石头中就含有大量的钍，而含量高的可达8%。

     8%含量看上去似乎也不是那么高，但我们得知道，当今主流的核反应堆，以压水堆为例，核燃料中参与裂变的铀235含量只在2%～4.4%之间。

    

     图为独居石，图片来自Ra'ike

     在原子家族中，钍排在第90位(原子序数)，与排在第92位的铀仅相差两位。

     但比铀更优越的是，钍的含量要高得多，地球上，钍的蕴藏量是铀的3倍到4倍，而有报道认为，钍就跟铅一样普遍。总部设在美国的钍能源联盟估计，如果美国的用电量不变，则美国的钍蕴藏量足够供电超过1000年。

     诺贝尔物理学奖获得者、粒子物理学家卡罗·鲁比亚说：“目前中国通过进口铀来满足现有的、待建的核电站的需求，如果用钍，那么中国就根本不需要依赖进口了。”

     钍的蕴藏量比铀大得多，这是世界公认的。现在的问题是，在反应堆中，钍是怎么产生能量的？它也像铀235一样，会裂变吗？

     不会。

    

     钍基熔盐堆原理

    

    

     铀235的裂变动图

     铀235被中子撞击后，裂变并产生中子，从而有连锁反应。但钍不具备铀235这样的特性。不过，这不难解决。

     古有点石成金术，而今有中子术。

     自然界存在的钍是钍232，当它吸收一个中子后，就变成了钍233，钍233再经过两次β衰变后，就摇身变成了铀233。

     而铀233就跟我们熟悉的铀235一样了，只要有中子撞击，铀233就会裂变并产生大量中子，这些中子反过来又去将钍232增值，如此就能循环下去了。

    

     还有哪些优势

    

     钍基熔盐堆中，因为高温，钍和其他盐是以一种熔融的形态存在的，反应堆中，熔盐自身既是加载核燃料的载体，且因为是循环流动，所以它同时也是冷却剂。

     而像大家熟悉的压水堆，它是通过循环水作为冷却剂，这让反应炉需要常年保持在150个大气压左右。

     而钍基熔盐堆因为可以不使用水作为冷却剂，因此反应炉内是在常压下进行，安全性更高。

    

     另外，又由于是常压，所以反应堆可以做得很小很小，可以小到常规反应堆的几百分之一，甚至千分之一，这意味着，它可以应用在核潜艇，甚至是科幻中的核轰炸机上。

    

     压水堆中，核燃料芯块是装入一根有几层金属的管子中，构成核燃料棒

     而在钍基熔盐堆中，由于核燃料自身就是熔融状态，所以也就无需专门制作固体燃料组件，这节约了成本。

    

     既然这么多优势，为何没见商用？

    

     实际上，熔盐堆的研究是很早的，上世纪40年代末，美国空军为了研制能持续在天上飞行数天的核动力轰炸机， 1946年5月28日，美国空军启动核动力轰炸机NEPA计划，1951年5月，NEPA计划被ANP计划取代，研究方向同样还是核动力飞行，而其动力之源就是熔盐堆。

    

     飞机上的核动力发动机基本原理

     冷空气从右下方抽入，通过上图的绿色管道，经过熔盐堆，被强力加热后，从红色管子流向发动机尾部，向后高速喷出，以提供推力。

     美国橡树岭国家实验室承担了ANP计划中核能发动机的研发任务，他们于1954年建成第一个小型熔盐堆实验装置，运行最高温度达到 871℃，美国核物理学家阿尔文·温伯格，他在《第一核纪元》一书中说，这在当时是人类首次将核反应堆运行到如此赤热的状态。

     1954年建的这个熔盐堆虽然没有使用钍，但它证明了熔盐堆的可行性。1966年初，另一个设计功率10兆瓦的熔盐堆建成并成功运行，这时，钍成为了其中的核燃料，这个钍基熔盐实验堆运行很平稳，除了必要的维护而临时停堆外，它一直运行到了1969年12月，后因经费问题才彻底停堆。

     之后，远程轰炸机的作用逐渐被战略弹道导弹满足，另一个原因是，当时还是冷战期间，而钍基熔盐堆不像重水堆那样，既能发电，还能从中提取核燃料造原子弹。所以，钍基熔盐堆逐渐受到美国冷落。

     温伯格参与了美国熔盐堆的研究，他对此当然耿耿于怀。有一次他说：“这个国家现在一意孤行的要发展快增殖堆，这让其他堆型的发展变得不可能，特别是熔盐堆，希望联合委员会能改正这个错误。”

     如今，时代变了，从冷战时期的要大力造核武器，变成了现在的要努力防止核扩散。

     因此，钍基熔盐堆正在被越来越多的国家所重视。

    

     中科院经过7年多的研究和攻关，已突破熔盐堆各项关键技术，2017年11月7日，中国科学院与甘肃省共同签署“钍基熔盐堆”项目合作框架协议，预计两年后，也就是2020年左右，甘肃的钍基熔盐实验堆将有望建成。

     出品：科普中国

     制作：寒木钓萌

     监制：中国科学院计算机网络信息中心

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