理性看待釷基熔鹽堆

文/田力

作者供職于未來能源研究中心

作為第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的核心代表，釷基熔鹽堆以其釷資源利用率高、安全性好、核廢料少等突出優(yōu)勢(shì)，成為破解我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與核燃料供給困境的重要方向。

近年來，我國(guó)在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從跟跑到領(lǐng)跑的跨越，建成了全球唯一運(yùn)行的釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆并完成了關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，但從實(shí)驗(yàn)堆到商業(yè)化應(yīng)用仍需攻克一系列技術(shù)難關(guān)。

Part 01

國(guó)內(nèi)技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀：從無到有，領(lǐng)跑全球

我國(guó)釷基熔鹽堆研發(fā)始于21世紀(jì)初。2011年，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，集聚近百家科研機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)組建協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，開啟了體系化攻關(guān)之路。

經(jīng)過十余年努力，我國(guó)在該領(lǐng)域取得了一系列里程碑式成果。2023年10月，位于甘肅民勤的2兆瓦液態(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月達(dá)成滿功率運(yùn)行（只發(fā)熱、不發(fā)電），堆出口溫度達(dá)650℃；2024年10月完成世界首次熔鹽堆加釷實(shí)驗(yàn)；2025年11月宣布實(shí)現(xiàn)釷鈾核燃料轉(zhuǎn)換，首次獲取釷入堆運(yùn)行后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步證明了熔鹽堆利用釷資源的技術(shù)可行性。

目前，該實(shí)驗(yàn)堆已成為全球唯一運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)釷燃料入堆的熔鹽堆，關(guān)鍵核心設(shè)備實(shí)現(xiàn)100%國(guó)產(chǎn)化，整體國(guó)產(chǎn)化率超90%，供應(yīng)鏈完全自主可控。

科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用一體式堆本體設(shè)計(jì)，將堆芯、燃料鹽泵、換熱器等核心設(shè)備集成于反應(yīng)堆主容器內(nèi)，大幅降低放射性泄漏風(fēng)險(xiǎn)，顯著提升了系統(tǒng)安全性。

依托該實(shí)驗(yàn)堆，我國(guó)已構(gòu)建起了獨(dú)具特色的熔鹽堆和釷鈾燃料循環(huán)研究平臺(tái)，并啟動(dòng)與國(guó)家電力投資集團(tuán)等龍頭企業(yè)的深度合作，加速推進(jìn)釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈與供應(yīng)鏈建設(shè)。

根據(jù)規(guī)劃，我國(guó)將在2026年啟動(dòng)10兆瓦級(jí)研究堆建設(shè)，2030年實(shí)現(xiàn)其滿功率運(yùn)行，2035年建成百兆瓦級(jí)示范工程，逐步推進(jìn)技術(shù)商業(yè)化落地。

這一系列進(jìn)展，不僅鞏固了我國(guó)在國(guó)際熔鹽堆研究領(lǐng)域的引領(lǐng)地位，而且為利用我國(guó)豐富的釷資源（已探明儲(chǔ)量28.6萬噸，多為稀土開采伴生資源）奠定了基礎(chǔ)，有望破解我國(guó)鈾資源對(duì)外依存度超70%的困局。

在核心技術(shù)研發(fā)方面，我國(guó)已突破液態(tài)燃料制備、高溫熔鹽回路設(shè)計(jì)、被動(dòng)安全系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出GH3535鎳基合金等專用結(jié)構(gòu)材料并成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)堆，核石墨制備實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化——中鋼新型材料（寧夏）有限公司成為國(guó)內(nèi)唯一具備核石墨生產(chǎn)條件的企業(yè)，方大炭素研制的大規(guī)格核級(jí)石墨冷態(tài)技術(shù)性能達(dá)標(biāo)，熱導(dǎo)率、輻照穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，打破國(guó)外壟斷。

同時(shí)，我國(guó)在釷-鈾燃料循環(huán)機(jī)理研究、堆芯物理設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)領(lǐng)域積累了大量數(shù)據(jù)，成功完成了世界首次熔鹽堆加釷實(shí)驗(yàn)與釷鈾核燃料轉(zhuǎn)換，為后續(xù)技術(shù)迭代提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與工程支撐。

Part 02

核心技術(shù)難題：從實(shí)驗(yàn)到商用的三道“攔路虎”

盡管我國(guó)在釷基熔鹽堆研發(fā)上取得了顯著突破，但實(shí)驗(yàn)堆的成功并不意味著商業(yè)化之路暢通無阻。從啟動(dòng)運(yùn)行、結(jié)構(gòu)材料到燃料循環(huán)，該技術(shù)路線仍面臨著多重核心技術(shù)挑戰(zhàn)。每一項(xiàng)都考驗(yàn)著我國(guó)的高端制造與基礎(chǔ)研究實(shí)力。

（一）中子增值效率低：中間產(chǎn)物無效吸收引發(fā)的自持難題

釷基熔鹽堆維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核心瓶頸，并非僅在于啟動(dòng)階段對(duì)鈾-235中子源的依賴，更關(guān)鍵在于釷-鈾轉(zhuǎn)化鏈中存在大量中間產(chǎn)物的中子無效吸收，導(dǎo)致整體中子增值系數(shù)偏低，進(jìn)而難以穩(wěn)定維持鈾-233裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的自持。從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的全流程來看，中子資源的“浪費(fèi)”貫穿始終，大幅增加了反應(yīng)自持的控制難度。

從啟動(dòng)環(huán)節(jié)來看，釷-232本身無法直接裂變，需要依賴鈾-235或钚-239提供初始中子轟擊釷核，啟動(dòng)釷-鈾轉(zhuǎn)化鏈（完整轉(zhuǎn)化鏈：??232Th+?1n→??233Th→（β?衰變）→??233Pa→（β?衰變）→??233U）。

這一初始依賴雖存在，但可通過優(yōu)化初始燃料裝載量、提升中子利用效率等方式緩解，并非核心桎梏。真正的關(guān)鍵問題在于轉(zhuǎn)化與運(yùn)行過程中：一方面，中間產(chǎn)物鏷-233（釷-233衰變產(chǎn)物）具有較高的中子吸收截面，會(huì)“無效俘獲”部分中子生成鏷-234。這部分中子本應(yīng)用于轟擊釷-232生成新的釷-233，或維持鈾-233裂變。

另一方面，釷-232自身會(huì)發(fā)生寄生俘獲反應(yīng)（??232Th+?1n→??233Th），雖最終仍可能轉(zhuǎn)化為鈾-233，但過程耗時(shí)較長(zhǎng)，且占用了大量本可直接服務(wù)于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的中子。更重要的是，轉(zhuǎn)化與裂變過程中還會(huì)生成鈾-232等副產(chǎn)物。其及衰變子體同樣具有強(qiáng)中子吸收能力，進(jìn)一步加劇中子損耗。

中子的大量無效吸收直接導(dǎo)致釷基熔鹽堆的中子增值系數(shù)（η）偏低——每個(gè)鈾-233裂變釋放的中子中，實(shí)際能用于維持裂變或轉(zhuǎn)化釷-232的有效中子數(shù)較少。

要實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自持，需保證中子增值系數(shù)≥1，而釷基熔鹽堆因上述損耗，需通過精準(zhǔn)控制堆芯設(shè)計(jì)、優(yōu)化中子能譜、調(diào)整釷-鈾裝載比例等方式，才能勉強(qiáng)達(dá)到自持閾值，且長(zhǎng)期運(yùn)行中燃料成分變化、裂變產(chǎn)物積累等因素會(huì)持續(xù)波動(dòng)中子增值效率，導(dǎo)致反應(yīng)極易失穩(wěn)。

目前，我國(guó)雖在實(shí)驗(yàn)堆中通過優(yōu)化堆芯中子能譜與釷裝載量，實(shí)現(xiàn)了短期鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自持，但要解決中間產(chǎn)物無效吸收導(dǎo)致的中子增值低問題，仍需在轉(zhuǎn)化機(jī)理研究、堆芯物理設(shè)計(jì)、燃料成分優(yōu)化等方面取得突破性進(jìn)展。

（二）結(jié)構(gòu)材料三重考驗(yàn)：高溫、腐蝕與輻照的極限挑戰(zhàn)

釷基熔鹽堆的運(yùn)行環(huán)境堪稱“極端苛刻”：堆芯工作溫度高達(dá)600℃-700℃，液態(tài)氟化鹽冷卻劑兼具強(qiáng)腐蝕性，同時(shí)堆芯釋放的中子會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)材料造成持續(xù)輻照損傷。

結(jié)構(gòu)材料需同時(shí)滿足抗高溫、抗強(qiáng)腐蝕、抗輻照三大要求。其性能直接決定反應(yīng)堆的安全壽命——商業(yè)堆設(shè)計(jì)壽命需達(dá)60年，而實(shí)驗(yàn)堆使用的材料仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

核石墨作為堆芯慢化體和反射體的核心材料，面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)：高溫下易與熔鹽發(fā)生反應(yīng)，中子輻照會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)腫脹、硬化甚至微裂紋，表面微孔可能導(dǎo)致燃料鹽滲透形成局部熱點(diǎn)。

我國(guó)已開發(fā)出NG-CT-50等專用核石墨，小孔喉尺寸能有效阻隔熔鹽，模擬驗(yàn)證了其優(yōu)異的熔鹽阻隔能力。耐輻照試驗(yàn)顯示，在400℃、30MeVNi??離子束輻照環(huán)境下，NG-CT-50核石墨輻照區(qū)域微裂紋出現(xiàn)少量收縮，納米級(jí)孔隙數(shù)量減少，晶體非晶化程度隨輻照深度增加而上升，且在600℃高溫環(huán)境下輻照損傷可得到一定程度恢復(fù)。但商業(yè)堆要求材料承受10-30dpa的高輻照劑量，如何在該劑量下保證長(zhǎng)期尺寸穩(wěn)定性與力學(xué)性能，仍是亟待突破的關(guān)鍵難題。

而作為回路與堆芯包殼材料的鎳基合金，同樣面臨著高溫、腐蝕與輻照疊加的“極限修羅場(chǎng)”考驗(yàn)。我國(guó)自主研發(fā)的GH3535合金已成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)堆，相關(guān)耐輻照試驗(yàn)表明，在模擬堆芯600℃～700℃高溫環(huán)境下，經(jīng)一定劑量輻照后，合金仍能保持基本力學(xué)性能，但存在輕微晶間腐蝕傾向，輻照會(huì)加劇氟離子引發(fā)的應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致材料疲勞壽命下降。

目前，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)正通過同步輻射成像、離子束輻照實(shí)驗(yàn)等手段，深入研究材料微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，探索通過表面涂層、成分微調(diào)等方式提升其綜合性能，但要實(shí)現(xiàn)商業(yè)堆60年設(shè)計(jì)壽命所需的長(zhǎng)期可靠性，仍需在材料成分設(shè)計(jì)與制備工藝上持續(xù)攻關(guān)。

（三）在線同步后處理：高溫放射性環(huán)境的“精細(xì)操作”難題

釷基熔鹽堆的另一大優(yōu)勢(shì)是可通過在線后處理系統(tǒng)連續(xù)提取裂變產(chǎn)物、回收未燃盡燃料，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行5～7年無須停機(jī)換料。這是其區(qū)別于傳統(tǒng)鈾堆的核心特征之一。

需要明確的是，熔鹽堆在線后處理技術(shù)并非單一工藝，而是一套集成化技術(shù)體系，干法熔鹽電解是其中的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但并非全部。

從技術(shù)分類來看，核燃料后處理分為水法與干法，釷基熔鹽堆的燃料由多種金屬氟化物熔鹽組成，難溶于水，因此干法后處理是其唯一適配的技術(shù)路線，而熔鹽電解則是干法體系中實(shí)現(xiàn)元素分離的核心手段。

但在線后處理的完整流程還包括前置的氟化揮發(fā)、減壓蒸餾等工藝，以及后續(xù)的燃料重構(gòu)環(huán)節(jié)，需多工藝協(xié)同才能實(shí)現(xiàn)燃料鹽的連續(xù)純化與循環(huán)利用。

這種復(fù)雜的技術(shù)集成，使得在線同步后處理堪稱“在刀尖上跳舞”——需在高溫、強(qiáng)放射性環(huán)境下，對(duì)流動(dòng)的液態(tài)燃料鹽進(jìn)行精準(zhǔn)分離與提純，任何操作失誤都可能導(dǎo)致放射性泄漏或燃料損失。

目前，我國(guó)實(shí)驗(yàn)堆仍采用批次處理方式，連續(xù)在線處理技術(shù)尚處于研發(fā)階段，其中干法熔鹽電解環(huán)節(jié)的工程化驗(yàn)證是核心攻關(guān)重點(diǎn)。該技術(shù)的核心難點(diǎn)集中在三方面。

一是高溫下裂變產(chǎn)物的精準(zhǔn)分離。熔鹽電解需在600℃～700℃高溫下進(jìn)行，需開發(fā)專用電極材料與電解質(zhì)體系，確保高效分離鈾、釷等錒系元素與裂變產(chǎn)物，同時(shí)避免電極腐蝕與副反應(yīng)發(fā)生。

二是設(shè)備的耐輻射與密封性。電解裝置需長(zhǎng)期在強(qiáng)輻射環(huán)境下工作，密封件易受高溫與輻射雙重作用老化失效，可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏。三是處理過程的自動(dòng)化控制。電解過程中的電壓、電流、熔鹽成分等參數(shù)需實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)控，需開發(fā)高精度傳感器與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人化操作。

此外，前置的氟化揮發(fā)工藝需高效分離鈾并轉(zhuǎn)化為UF?，減壓蒸餾環(huán)節(jié)需精準(zhǔn)回收LiF、BeF?等載體鹽。這些環(huán)節(jié)與熔鹽電解協(xié)同匹配的穩(wěn)定性，同樣是技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵。

盡管我國(guó)已建成燃料鹽后處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，且干法后處理主工藝流程已完成中試驗(yàn)證，但要滿足商業(yè)堆的處理效率與安全性要求，仍需突破多工藝集成優(yōu)化、大型化設(shè)備研制等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

Part 03

展望：攻堅(jiān)破難，開啟釷基能源新時(shí)代

釷基熔鹽堆是我國(guó)在第四代核能領(lǐng)域的“先手棋”。其技術(shù)突破不僅關(guān)乎能源安全，而且能推動(dòng)我國(guó)在高溫制氫、熔鹽儲(chǔ)能等關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，構(gòu)建多能互補(bǔ)的低碳復(fù)合能源系統(tǒng)。

面對(duì)上述技術(shù)難題，我國(guó)已制定清晰的攻關(guān)路線：通過國(guó)家戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)持續(xù)投入，集聚材料科學(xué)、核物理、高端制造等多領(lǐng)域力量，從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用進(jìn)行全鏈條突破。

目前，核石墨性能優(yōu)化、鎳基合金腐蝕防護(hù)、在線后處理工藝等關(guān)鍵領(lǐng)域的研究正在穩(wěn)步推進(jìn)，10兆瓦級(jí)研究堆已進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，計(jì)劃2026年啟動(dòng)建設(shè)，核心任務(wù)是驗(yàn)證高功率、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下的設(shè)備可靠性，為百兆瓦級(jí)堆型積累工程經(jīng)驗(yàn)。

從當(dāng)前進(jìn)展來看，距離百兆瓦級(jí)電站商業(yè)化推廣仍有約10年左右的路程。按照規(guī)劃，2035年將建成百兆瓦級(jí)示范工程并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，開展供熱、制氫等多元化應(yīng)用示范；2040年左右完成釷鈾燃料循環(huán)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，屆時(shí)需通過規(guī)模化降低成本，確保其在經(jīng)濟(jì)性上可與傳統(tǒng)核電、煤電抗衡。

隨著技術(shù)的不斷迭代，釷基熔鹽堆有望如期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化突破。屆時(shí)，我國(guó)豐富的釷資源將得到充分利用，核能產(chǎn)業(yè)將擺脫對(duì)鈾資源的依賴，為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)有力的支撐。

當(dāng)然，技術(shù)攻堅(jiān)非一日之功，釷基熔鹽堆的商業(yè)化之路仍需長(zhǎng)期堅(jiān)持。憑借我國(guó)在實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)、核心材料國(guó)產(chǎn)化等方面的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，以及體系化的科研攻關(guān)能力，我們有理由相信，釷基熔鹽堆將成為中國(guó)引領(lǐng)全球能源革命的重要力量，開啟清潔、安全、可持續(xù)的能源新時(shí)代。

歡迎投稿，聯(lián)系郵箱

tg@inengyuan.com

“十五五”建設(shè)四大清潔能源基地，

實(shí)施非化石能源十年倍增行動(dòng)