[科普中國]-這個超過宇宙年齡的核燃料是什么

一提起核燃料，我們首先想到的是鈾，但其實，有一種名字很“土”，半衰期比宇宙年齡還要長，高達(dá)140.5億年的元素，它也是鈾的超級替補(bǔ)，這就是釷。而熔鹽堆主要是指“釷基熔鹽堆”。

釷是什么

在科幻小說中，未來世界是可以直接“燒”巖石的，從理論上講，這并沒有夸張。因為獨居石這種石頭中就含有大量的釷，而含量高的可達(dá)8%。

8%含量看上去似乎也不是那么高，但我們得知道，當(dāng)今主流的核反應(yīng)堆，以壓水堆為例，核燃料中參與裂變的鈾235含量只在2%～4.4%之間。

圖為獨居石，圖片來自Ra'ike。

在原子家族中，釷排在第90位（原子序數(shù)），與排在第92位的鈾僅相差兩位。

但比鈾更優(yōu)越的是，釷的含量要高得多，地球上，釷的蘊(yùn)藏量是鈾的3倍到4倍，而有報道認(rèn)為，釷就跟鉛一樣普遍?？偛吭O(shè)在美國的釷能源聯(lián)盟估計，如果美國的用電量不變，則美國的釷蘊(yùn)藏量足夠供電超過1000年。

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、粒子物理學(xué)家卡羅·魯比亞說：“目前中國通過進(jìn)口鈾來滿足現(xiàn)有的、待建的核電站的需求，如果用釷，那么中國就根本不需要依賴進(jìn)口了?！?/p>

釷的蘊(yùn)藏量比鈾大得多，這是世界公認(rèn)的?，F(xiàn)在的問題是，在反應(yīng)堆中，釷是怎么產(chǎn)生能量的？它也像鈾235一樣，會裂變嗎？

不會。

釷基熔鹽堆原理

鈾235的裂變動圖

鈾235被中子撞擊后，裂變并產(chǎn)生中子，從而有連鎖反應(yīng)。但釷不具備鈾235這樣的特性。不過，這不難解決。

古有點石成金術(shù)，而今有中子術(shù)。

自然界存在的釷是釷232，當(dāng)它吸收一個中子后，就變成了釷233，釷233再經(jīng)過兩次β衰變后，就搖身變成了鈾233。

而鈾233就跟我們熟悉的鈾235一樣了，只要有中子撞擊，鈾233就會裂變并產(chǎn)生大量中子，這些中子反過來又去將釷232增值，如此就能循環(huán)下去了。

還有哪些優(yōu)勢

釷基熔鹽堆中，因為高溫，釷和其他鹽是以一種熔融的形態(tài)存在的，反應(yīng)堆中，熔鹽自身既是加載核燃料的載體，且因為是循環(huán)流動，所以它同時也是冷卻劑。

而像大家熟悉的壓水堆，它是通過循環(huán)水作為冷卻劑，這讓反應(yīng)爐需要常年保持在150個大氣壓左右。

而釷基熔鹽堆因為可以不使用水作為冷卻劑，因此反應(yīng)爐內(nèi)是在常壓下進(jìn)行，安全性更高。

另外，又由于是常壓，所以反應(yīng)堆可以做得很小很小，可以小到常規(guī)反應(yīng)堆的幾百分之一，甚至千分之一，這意味著，它可以應(yīng)用在核潛艇，甚至是科幻中的核轟炸機(jī)上。

壓水堆中，核燃料芯塊是裝入一根有幾層金屬的管子中，構(gòu)成核燃料棒。

而在釷基熔鹽堆中，由于核燃料自身就是熔融狀態(tài)，所以也就無需專門制作固體燃料組件，這節(jié)約了成本。

既然這么多優(yōu)勢，為何沒見商用？

實際上，熔鹽堆的研究是很早的，上世紀(jì)40年代末，美國空軍為了研制能持續(xù)在天上飛行數(shù)天的核動力轟炸機(jī)， 1946年5月28日，美國空軍啟動核動力轟炸機(jī)NEPA計劃，1951年5月，NEPA計劃被ANP計劃取代，研究方向同樣還是核動力飛行，而其動力之源就是熔鹽堆。

飛機(jī)上的核動力發(fā)動機(jī)基本原理。

冷空氣從右下方抽入，通過上圖的綠色管道，經(jīng)過熔鹽堆，被強(qiáng)力加熱后，從紅色管子流向發(fā)動機(jī)尾部，向后高速噴出，以提供推力。

美國橡樹嶺國家實驗室承擔(dān)了ANP計劃中核能發(fā)動機(jī)的研發(fā)任務(wù)，他們于1954年建成第一個小型熔鹽堆實驗裝置，運(yùn)行最高溫度達(dá)到 871℃，美國核物理學(xué)家阿爾文·溫伯格，他在《第一核紀(jì)元》一書中說，這在當(dāng)時是人類首次將核反應(yīng)堆運(yùn)行到如此赤熱的狀態(tài)。

1954年建的這個熔鹽堆雖然沒有使用釷，但它證明了熔鹽堆的可行性。1966年初，另一個設(shè)計功率10兆瓦的熔鹽堆建成并成功運(yùn)行，這時，釷成為了其中的核燃料，這個釷基熔鹽實驗堆運(yùn)行很平穩(wěn)，除了必要的維護(hù)而臨時停堆外，它一直運(yùn)行到了1969年12月，后因經(jīng)費(fèi)問題才徹底停堆。

之后，遠(yuǎn)程轟炸機(jī)的作用逐漸被戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈滿足，另一個原因是，當(dāng)時還是冷戰(zhàn)期間，而釷基熔鹽堆不像重水堆那樣，既能發(fā)電，還能從中提取核燃料造原子彈。所以，釷基熔鹽堆逐漸受到美國冷落。

溫伯格參與了美國熔鹽堆的研究，他對此當(dāng)然耿耿于懷。有一次他說：“這個國家現(xiàn)在一意孤行的要發(fā)展快增殖堆，這讓其他堆型的發(fā)展變得不可能，特別是熔鹽堆，希望聯(lián)合委員會能改正這個錯誤?！?/p>

如今，時代變了，從冷戰(zhàn)時期的要大力造核武器，變成了現(xiàn)在的要努力防止核擴(kuò)散。

因此，釷基熔鹽堆正在被越來越多的國家所重視。

中科院經(jīng)過7年多的研究和攻關(guān)，已突破熔鹽堆各項關(guān)鍵技術(shù)，2017年11月7日，中國科學(xué)院與甘肅省共同簽署“釷基熔鹽堆”項目合作框架協(xié)議，預(yù)計兩年后，也就是2020年左右，甘肅的釷基熔鹽實驗堆將有望建成。