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人类使用能源的终极解决方案到底是什么？
很多人会想到“可控核聚变反应”，只是这个技术一时半会都实现不了。
不过，在实现“可控核聚变反应”之前，人类还有一个最佳方案，这就是：钍反应堆！
这个方案曾经是美国吹过的牛，结果他们没能实现，而我国不仅是目前唯一一个实现的，技术还走在了世界最前列。2021年9月9日，全球顶级期刊《nature》发布了一篇报道：
我国建成了全球首座第四代核电技术“钍基熔盐堆核能系统”，中国是首个将这项技术商业化的国家。
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“钍反应堆”就是利用“钍”作为原料，通过核裂变提供能量的核反应堆，完全不同于传统的核反应堆技术。
我们都知道，核电站都建设在江、河、湖、海旁边上，然而我国的这座钍基熔盐堆核电站，却建在中国甘肃省武威市，一个西北内陆城市。它不仅不需要用“水”来进行降温，相反无论是从热效率、安全性，还是成本，都远远优于全球任何一座核电站。
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从燃料的角度来看，一吨“钍”燃料经过闭环使用，提供的能源，相当于200吨的铀；“钍”储量极为丰富，远远超过了“铀”的储量，目前已探明的“钍”储量足够人类使用1万年，而中国探明的“钍”储量在30万吨以上。
诺贝尔物理学奖获得者卡罗卢比亚曾表示：
如果用“钍”来发电，按照目前的电能消耗来算，中国钍的储量能够保证未来许多个世纪的发电供应，大致可以使用两万年。
“钍反应堆”最大优点在于“安全”。在核电行业当中，有一句特别出名的话：
任何一个核电站事故，都是所有核电站的事故。
人类历史上发生了多起核泄漏事故，无论是美国三里岛核电站事故、苏联切尔诺贝利核事故，还是日本福岛核事故，不仅给全人类带来了巨大伤害，还给当时全球核电行业带来了毁灭性的打击。
德国，作为全球发展核电最早的国家之一，在切尔诺贝利核事故时，选择逐步关停核电站；在福岛核事故之后，选择了极为激进地快速关闭，全面放弃核电。
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德国有接近一半的发电来自于新能源发电，其中风力发电占27.4%，光伏发电占9.7%，还有一部分是水电和生物原料发电。新能源发电有个特点，那就是非常不稳定，即便德国已经建设了一套极为复杂的电力管理系统，但作为工业大国，电根本不够用。于是，德国只能从法国进口核电来用，根本规避不了使用核电。
未来人类要实现碳中和，新能源必不可少，由于新能源不稳定的特点，现在还没有研发出一套足够好的储能技术，这意味着新能源发电的比例不能是100%。因为遭遇极端情况，有可能出现电，影响社会生产和居民生活。
根据能源局网站数据显示：
截止到4月底，全国风电光伏发电总装机达到8.2亿千瓦，占全国发电装机总量的30.9%。风电光伏发电量达到4828亿千瓦时，占全社会用电量的17.2%。
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如果要应对这种新能源发电的不稳定，核电技术就是一个比较理想的发展方向。然而核泄漏事故又是悬在人类头上的达摩克里斯之剑，“安全”是核电站最大的痛点，那应该如何应对呢？
2000年5月，美国能源部邀请了全球100名行业专家进行讨论，提出了第四代核电站技术的基本要求，并确立了6条发展路线，分别是超高温气冷堆、超临界压水堆、熔盐堆、气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆，都属于“非水堆”，也就是不用水冷却的反应堆。
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这些技术路线除了经济成本的考量之外，最核心要素就是：解决核泄漏隐患的难题。
传统的核电站本质上就是用核裂变产生的热量来烧开水，一旦发生故障，机器停了，但核反应不会停止，而是继续产生热量，这就会融化掉包裹着核燃料的外壳，同时产生氢气，引发爆炸，进而引发核泄漏灾难。
这6种设计的目的就是为了大幅减少核废料、控制核扩散、提高安全性以及降低核电站建造和运营成本。其中，“钍基熔盐核反应堆”是兼具安全性和低成本的方案。那么问题来了，为何美国以及其他欧美国家不发展这种技术呢？
早在上世纪50年代，美国科学家最早发现了这条路径，还进行了实践。最初的目的是：研发核动力飞机，这样飞机就可以携带核武器，进行远程轰炸，起到核威胁作用。1957年，苏联成功试射了洲际弹道导弹，这下美国人慌了，放弃了核动力飞机的研究，转而去跟进洲际导弹的研究。
于是，熔岩核反应堆逐渐转向了民用领域。1965年，美国下树岭实验室，科学家就做出了世界上首个民用熔岩反应堆，使用的就是“钍”作为核燃料，只不过从各项指标来看，这个核反应属于第一代核反应，而不符合第四代核反应堆的要求。
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还没来得及商用，美国人就暂停了实验，这是因为核武器最重要的原材料就是“铀-235”，而“钍”只能转化为“铀-233”，无法作为核武器的原料。于是，美国继续选择了，用“铀”来作为核武器和核电站的核原料，这很符合美国人的一贯风格，其实不算奇怪。
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“钍反应堆”的研究也就被搁置了，但有个国家是例外，不是中国，而是印度。目前已探明的“钍”储量，印度是世界第一，中国是世界第二。1954年，印度的核物理专家，就提出印度的“三阶段核能计划”，终极目标就是发展“钍反应堆”发电，来满足印度未来的用电需求，这个规划远比中国要早得多。
事实上，印度也真的这么做了，现在印度国内建设了60多个核电站，都是“钍反应堆”，印度也曾不止一次对外宣称：没有人比印度更懂“钍反应堆”。不过，印度这60多个核电站的技术都没有达到第四代核电站的标准。
按照印度自己的说法，计划在2025年实现第四代“钍基熔盐堆核电站”的商业化应用，到底能不能实现，咱也不知道，不过客观地说，在“钍反应堆”领域，印度是具有一定优势的。
后来，美国梳理了6条发展路径时，猛然发现自己放弃的“钍基熔盐堆核电站”技术原来这么好，也开始发展相关领域技术，也有一些国家陆陆续续地开了相关研究。
那么问题来了，这当中的核心技术难点是什么呢？为何现在这么多国家迟迟没有能够突破，而是中国最先突破了呢？
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在上世纪70年代，我国也曾选择了“择钍基熔盐堆”来作为发展民用核电的地点，这就是：728工程。只不过我国当时无论在科技、工业和经济水平有限，所以选择放弃，改为建设轻水反应堆。
后来，当第四代核电技术被提出后，我国就计划要在“钍基熔盐堆核能系统”实现突破。2011年，我国正式启动了“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统（TMSR）”专项。按照计划，花20年左右的时间，实现钍基熔盐堆在全球的首先应用，并建立起钍基熔盐堆产业链和配套的科技队伍。
该专项由中科院上海应用物理所10家院内外科研单位共同参与，并与美国展开了合作，中科院和美国能源部签订了《核能科技合作谅解备忘录》。
“钍反应堆”其实有两条技术路线，分别是：固态燃料熔盐堆和液态燃料熔盐堆。其中液态燃料熔盐堆的优点是：燃料利用效率更高；而固态燃料熔盐堆的优点则是有利于核能制氢、二氧
化碳减排量。我国的规划是，先将小型模块钍基熔盐堆作为示范堆的堆型，继续采用固液并举的路线。
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在此期间实现了许多技术突破，比如：高纯度氟盐制备与检测技术、氟盐腐蚀控制技术、国产高温镍基合金制备与加工技术、国产高致密细颗粒核石墨制备技术、同位素萃取离心分离技术、基于氟盐体系的干法分离技术、熔盐堆放射性气体监控技术。
熔盐堆使用高温熔盐作为冷却剂，钍基熔盐堆用的是：复合型氟化盐，所以核电站并不需要水。复合型氟化盐在冷却后会凝固，几乎不太可能发生泄露或者污染环境的情况。不仅如此，钍基熔盐堆的核废料也非常少，还不到传统核反应堆的千分之一。万一发生了核电站出现故障，温度超过一定程度时，装置底部的冷冻塞会融化，携带核燃料的复合型氟化盐会流入到应急储存罐当中，核反应就会停止，反应堆的温度也会随之下降，避免了核泄漏的情况发生。
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然而复合型氟化盐也有缺点：腐蚀性强。这个缺点也正是制约“钍基熔盐堆”的技术难点。对于核电站的管道而言，要求在高温、高应力和高辐射环境下，保持稳定性，同时管道还得不怕复合型氟化盐的腐蚀。
2014年，中科院金属所熔盐堆结构金属材料研究团队，在这个领域实现了突破，成功研制出了“GH3535合金”，这种合金耐650摄氏度的高温和苛刻的熔盐腐蚀。该团队成员董加胜介绍说：
未来随着研究的深入，预计可发展出满足700甚至800℃使用要求的新材料。
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随着这项技术被公关，2017年4月，甘肃省武威市与中国科学院，签订了“武威市民勤县红砂岗建设钍基熔盐堆核能系统（TMSR）”项目的战略合作框架协议，项目一共分为两期，总投资额达到220亿。
2018年，“钍基熔盐堆核能系统”项目开工建设；
2021年5月，2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆，及配套设施的主体工程完工，并于9月底启动试运行；
2023年6月，根据公开信息，按照相关规定， 国家核安全局决定颁发2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆运行许可证。这意味着第四代钍基熔盐实验堆即将投入运营。
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按照计划，2030年前后，将在全球率先完成商业化应用，大规模推广100兆瓦“钍基熔盐堆”。
美国没有发展这项技术，最核心的原因是他们确实不太需要这么一座核电站。我国作为全球制造业中心，工业用电需求大，相反美国过去几十年，制造业不断外移，用电的需求量并不大，所以他们并没有很大的动力去发展核电，并且这个技术前期的投入巨大，如果用电市场不够大，很有可能会亏本。
那这种“钍基熔盐堆”有可能未来发展成航母的“心脏”吗？
网传“钍基熔盐堆核能系统”未来可以作为航母的心脏，但大多有炒作的嫌疑。核反应堆和航母心脏有很大的区别。现在“钍基熔盐堆”的发展其实主要还是在民用，而非军用，两者技术有很大的不同。不仅仅是核燃料的浓度，同时还有小型化的问题。
可能有人会说，美国刚开始研究不也是为了造“核动力飞机”吗？
但我们要知道的是，美军仅仅是在研究“2.5兆瓦熔盐堆”，而我们以美国尼米兹级航母为例，使用的核反应堆“A4W反应堆”单台功率是：550兆瓦，两者相差了220倍。
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我国这次建成的第四代“钍基熔盐堆核能系统”是2兆瓦，即便不考虑小型化问题，直接搬到航母上，输出功率也不够用。即便是未来我国计划推广100兆瓦的大型民用“钍基熔盐堆”，也是不足以充当航母的“心脏”。
2023-06
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发表于 2023-12-7 01:24
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发表于 2023-12-7 08:03
