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核聚变太难实现，或许它才是正确答案

晰数塔互联网快讯
2023-12-27 13:43

前段时间有则新闻，说江南造船厂推出了一艘24000TEU级的核动力集装箱船设计方案，这艘船船长400米，宽61.5米，满载排水量近24万吨，更重要的是，它的核动力来源于第四代核反应堆钍基熔盐堆。

好家伙，连大伙儿都盼着的福建舰都没享受的核动力，这艘集装箱船就给上了？

江南造船厂是我国最牛逼的军工造船企业，什么中华神盾导弹驱逐舰，雪龙号极地破冰船都是他们造的，所以这事儿大概率是靠谱的。

但我还是有些疑惑：这个第四代反应堆就能用了吗？

2021年中科院在甘肃武威建了一个钍基熔盐堆，在当时还只是试运行，性质也只是实验而非商业运行。到今年6月份，这个堆拿到了国家核安全局颁发的运行许可证，不久后就能并网发电了。

这边刚拿到许可，那边就准备上舰了。这速度快得超出了我的认知。不过我能理解为什么这么急迫地应用，因为熔盐反应堆真的是好东西，有人甚至称它为“核裂变到核聚变的过渡燃料”。

我列几个它的优势，大家感受一下：

一，它比现有的核反应堆安全，不会发生像福岛那样的堆芯熔化，因此不会烧穿地表污染地下水，同时也不会产生大量放射性的核污水。

二，它的核废料是现有反应堆的千分之一。

三，它不挑位置，不需要像现有核反应堆那样，必须建在有充足水源的地方，可以建在甘肃武威这样的内陆区域，甚至还可以建在地下。

安全性属于是直接拉满。当然，它也有相应的技术难点，否则人们干嘛不早点研究这个呢，这个放在后面说。这里我们要强调的是，熔盐堆可以说是非常适配我国的能源格局的，如果在将来能够大范围商业化运行，那可以说是搬开了我国发展道路上的一块大石头。

为什么这么说呢？

看一下我国的能源结构就知道了。化石能源是现代工业国家发展的基石，我国的化石能源初始天赋是“富煤、贫油、少气”。

煤炭、石油、天然气的剩余探明储量分别为 1623亿吨、36亿吨、6万亿立方米，按2019年的消费量计算，分别可供我国使用40年、6年与 20年。自给能力方面，以 2019年消费量计算，煤炭、石油、天然气的对外依存度分别为7.31%、77.34%与42.69%，可见，我国的石油和天然气是非常依赖进口的。

社会生产的“血液”掌握在他国手中，这其中的风险看看第四次中东战争引发的危机就知道了。

虽然我们有煤保底，但烧煤造成的环境成本也难以承受，所以必须要发展水、核、风、光四大类新能源。其中水电依赖环境，风电极不稳定，光伏是很有前景的新能源，我国在大力发展，但容易受天气影响。相比之下，核能就稳定多了，这点对我们日常生活的影响可能并没有那么大，稳定的电力对工业生产可太重要了。

另一方面，我国的能源资源分布非常不均匀。煤炭资源主要在华北、西北，水力资源主要分布在西南，石油、天然气资源则分布零散。而我国的主要能源消费又集中在东边，所以西电东送、北煤南运之类的很多。这种能源转移又进一步地增加了成本，所以要是有不挑位置，不挑环境，不靠化石能源的发电厂就好了。诶，这就是咱们今天要讲的重点——熔盐堆。

先让大家对核能有个概念。

现在的核电站，从本质上来说跟火电厂是一个意思，通过烧锅炉来发电。只是火电厂烧煤，烧油，或者烧垃圾，而核电站烧的是核燃料。

所谓核燃料，一般是铀235和钚239，它们一般为固体，做成棍子插进反应堆里，所以也叫铀棒。核燃料的能量密度极高，10g增殖堆燃料释放的能量相当于22吨煤炭，16.5方石油，16706立方米天然气。

所以一座百万千瓦级的核电站，一年只需要30吨的核燃料，也就是一卡车的量，而同等级的火电站得烧300万吨煤。

这十万倍的差别根源在于，化石燃料的燃烧是氧化反应，本质上源于电磁力。而核燃料的燃烧是核裂变反应，本质上源于原子核内部的强相互作用力。在质子直径相当的尺度下，强力大约是电磁力的300倍。

核能也被很多科幻作家视为人类文明发展的关键。在科幻小说的神，美国俄裔作家阿西莫夫在他的银河帝国基地系列中，以银河系边缘一个贫瘠星球为背景，人口稀少的基地，却能战胜周围星球上的大文明，最大原因就是基地掌握了核能。

不过不像小说中人类已经能将核能运用在生活生产的各个角落，我们对核能的开发还处于比较初级的阶段。自从1954年，世界上第一座核电站，奥布灵斯克核电站在苏联建成以来，功率从5兆瓦发展到了7965兆瓦，日本的柏崎核电站，核反应堆已经经历了4代更迭，但目前世界上核能占比依旧徘徊在低位，当前全球核电发展仅占总发电量的10%，而我国的核电占比就更低了，仅有4.7%。

最大的原因就是安全因素。

在经历了切尔诺贝利、福岛等核事故后，人们对于核的态度战战兢兢，小心翼翼。如今世界上大多数的核能项目，都开始于上世纪70年代，世界核项目的数量也已经停滞了几十年。

有一部名为《中国综合症》的美国电影里有一句台词，说核反应堆的堆芯熔化，直接烧穿地球，烧到地球的另一面——中国。

这事儿肯定是过于离谱了啊，但大家想必也能看出，在上个世纪，对于核的恐惧情绪渲染得多么厉害。今年，随着日本开始向海里排核污水，反核的浪潮也是一轮又一轮。

我做一个不太准确的类比，核能就像坐飞机一样，效率很高且出事故的几率很低，可一旦出事，对飞机上的人来说代价就是巨大的。

可对于核能这样一种潜力巨大的能源，我觉得我们的态度不应该是丢掉，而是努力让它变得更加安全。安全，正是核反应堆发展过程中最重要的标准。而熔盐堆，正是将在科技树上将安全点满的一种技术。

为什么说熔盐堆安全呢？

要知道什么是安全，我们先来看看不安全是什么样的：切尔诺贝利以及福岛核电站的技术流派——沸水堆。

任何技术流派的核反应堆的结构都可以大致分为三部分：反应堆、冷却系统和发电系统。

反应堆包括了燃料棒、慢化剂和控制棒。

燃料棒就是铀棒。我们所说的核裂变反应是一种链式反应：中子轰击铀-235，后者分裂成另外两个元素并释放200MeV左右的能量，以及2-3个中子。这些中子会继续去轰击其他铀-235，引发更多的裂变。

控制棒的作用控制链式反应的速率，就像调音量的开关一样。那怎么控制呢？很容易就能想到，既然链式反应的关键在中子，那么控制棒只要能够控制中子数和中子密度，就能控制裂变反应的速率。

而慢化剂是为了保证裂变反应能够进行。这个说起来就略微复杂一些。其实中子轰击铀235是不一定会发生核裂变反应的。根据中子能量我们将其分为三类：能量高的为快中子，能量低的为热中子，而居中为中能中子。三者中热中子能诱发核裂变，而慢化剂就是将高能量的中子变为热中子。

在沸水堆中，燃料棒是铀棒，慢化剂是水，控制棒一般为硼、碳化硼、镉等材料。

一个正常的运行过程是这样的：冷凝水从反应堆下方进入，被反应堆加热后，以气水混合物的形态从反应堆出，然后进入涡轮机进行发电，最后重新凝结为液体水完成一个循环。

那么，这个系统，或者说过程中不安全的因素在哪里呢？

可以说，到处都藏着风险。

比如福岛。首先是海啸让整个核电站断电，断电后反应堆内的冷却水得不到补充。虽然控制棒自动插入，但反应堆停止反应后同样是有功率的（燃料衰变发出的热量），因此很快使冷却水沸腾、气化，堆内充满高温高压的水蒸气，回路中开始出现裂缝，大量带有放射性的水蒸气泄漏，而堆芯也因无冷却水传导热量，导致堆芯熔化，将反应堆底部外壳烧穿。

再比如切尔诺贝利。当时工程师们想测试，如果遇到极端情况导致核电站断电，能不能利用控制棒插入后余热发的电，来驱动冷却水正常供应。在测试过程中，因为人为因素导致过多的控制棒被拔出，仅保留6根，反应堆失控功率飙升，冷却水供应不足，堆内产生大量高温高压水蒸气，同时这些水蒸气与燃料包壳的材料金属锆发生反应生成大量氢气，发生蒸气爆炸，顶部直接被炸穿。爆炸导致反应堆冷却水更少，随后又发生了二次爆炸（目前存在两种假说：化学爆炸和热核爆炸假说）。

而世界上目前主流的第二代第三代核反应堆——压水堆，代表是美国三里岛核电站，也曾因为种种原因导致冷却水不足而导致堆芯熔化。

大家可以看到，这些事故中最核心的问题在于冷却水不足。只要冷却水能供应上，就不会产生大量高温高压蒸汽，后续的泄漏或爆炸也不会发生。

核电站每出现一次事故，都有以前没出现过的因素，机械原因、人为因素啊等都有，可以说是防不胜防，某个环节的出错最终导向的都是冷却水不足，然后就出事故。

为了安全从里到外整了那么多安全措施，到头来还是防不胜防。于是科学家们就想了，虽然水好水多水便宜，但它不安全啊。咱需要一个天生就安全的冷却剂。

熔盐：正是在下。

熔盐是什么？

这里的盐不是我们吃的那个，而是泛指一类金属离子或铵根离子与酸根离子结合的化合物，什么碳酸钙钡硫酸钡，都是盐。盐在常温下一般都是固态，在高温下会熔化形成熔融体，就是熔盐。

为什么说熔盐安全呢？

大家回想一下，前面的用水冷的反应堆出事故，核心原因都是冷却水不足后气化成高温高压水蒸气。

而熔盐在反应堆里几乎不会气化。这是因为，熔盐本身具有高沸点、低蒸汽压。熔盐堆常用的氟盐，熔点550℃，沸点1400℃。在常压的情况下，工作温度可高达700℃。

事实上，熔盐堆里的气压甚至跟我们日常没啥区别，就一个大气压。

并且，即使因为某些原因导致管道破裂。液态的熔盐流出来。这些熔盐很快就冷却了，不会像水蒸气那样污染大气。

这一点与可控核聚变其实有相似之处，因为核聚变同样是在装置出现故障后不会发生爆炸，而是会在暴露后迅速冷却。

此外，大家还记得开头曾提到，熔盐堆不会发生堆芯熔化么？这是因为熔盐堆的核燃料是液体，跟熔盐混合在一起，不会像固体燃料那样集中在一个区域反应。

一个正常运行的钍基熔盐堆是这样的：核燃料与冷却剂熔盐混在一起，在反应堆这个回路中持续发生裂变反应。高温熔盐通过热交换器将热量传导出去，这些热量再加热发电系统中的水，形成发电。

熔盐堆用的核燃料跟一般的水堆不同，它没有用铀235，而是用了钍232和铀233的混合燃料。

这是因为，钍232这个东西其实是不容易直接发生裂变的，但它能够吸收热中子变成钍233，经历两次β-衰变，变成铀233，后者是一种易裂变物。

你可能会奇怪，有铀不用，干嘛非要加一个不容易裂变的钍呢？

其实从辐射危害来讲，其实钍的放射性不比铀小。

最大的原因是能用的铀235实在太少了啊。

铀是一种极为稀有的放射性金属元素，在地壳中的平均含量仅为百万分之二，以1600万吨的铀235储量和180吨每年每百万千瓦来计算，目前的铀矿可供现在的核电用440年。但这是按现在的规模，如果以国际情况来估计，未来30年核电的规模将发展到现在的7倍，那么铀235就将在40年内耗尽。

相比之下，钍这种自然界能量密度最高的元素之一，每单位重量的钍元素产生的能量是铀元素的250倍，钍的储量也很丰富，在地壳中的含量大约为铀的三倍，可以说是很好的替代核燃料了。

带有核裂变的放射性，却也不会发生核泄漏，有着比拟核聚变的安全性，或许这就是“从核裂变到核聚变的过渡燃料”的真正含义吧。

一切看着都很美好啊，又安全，而且储量丰富能用很久。

但有些事实我也必须告知大家，毕竟这个技术并不是今天突然出现的，而是上个世纪的遗孤。

在核反应堆刚起步的上世纪50年代，科学家们就已经开始对钍进行研究了。到了70年代，美国橡树岭国家实验室，以及我国的“728工程”都对钍基熔盐堆进行了一定程度的研究。但后来美国和我国都不约而同地转向了用铀的压水堆。

这些转变必然意味着钍基熔盐堆的研究有相当的难度。

首先，我们之前提到，钍232转化为铀233是需要经历两次β-衰变，在这一过程的中间产物Pa233（镤）的半衰期约为27天，这意味着它衰变到最终的铀233需要大约1年的时间，这对反应堆来说时间较长。

其次，在钍233转化为铀233的过程中，可能会生成副产物铀232。这玩意儿会释放伽马射线，使得反应堆的放射性变强。

再次，这是一个工程上的技术难点。熔盐堆的工作温度在700℃左右，高温下熔盐的腐蚀性非常强，这对管道材料的耐蚀性要求相当高。之前美国搞的时候用了一种Hastelloy N合金。这种合金的耐蚀和高温强度比一般的铁基合金都更好。但后来因为转向了压水堆，美国也用不上这个合金了。

据中科院上海物理所的估计，引入纳米技术后这个材料的性能可能会更进一步。

这是中科院在2010年做的发展预测，可以看到目前位于甘肃武威的熔盐堆已经装料，开始带核运行了，在知网上就能查到多篇中科院所做的相关论文。

这当然只是冰山一角。在一篇篇的论文中，中科院的研究者们从燃料循环到熔盐材料、结构材料对钍基熔盐堆进行了大量研究，在他们的努力下，甘肃的熔盐堆才得以成功。

不过目前该堆的功率为2MW，还没有达到当初的预期。而江南造船厂上的熔盐堆，虽然以当前能达到的功率来说，似乎只是作为辅助动力。但这艘船的设计中就取消了传统烟囱机舱棚，实现净零排放。换句话说，在设计中是把核动力作为主动力的，这意味着，也许有我们不知道的技术突破。而且，由于熔盐堆的临界质量（燃料发生自持链式反应的最小质量）比压水堆小很多，所以它本身就更适合小型化，将来也必然会向船舰这个方向发展。

目前，核能大国法国的CNRS（国家科学研究中心）在15年完成了钍基熔盐堆的理论研究后，商业公司Naarea计划在该研究中心的帮助下于2030年推出第一台15MW的原型堆；印度BARC（巴巴原子能研究中心）正在维沙卡帕特南进行着一个5MW的熔盐堆项目，不过该项目属保密性质，网络上没有最新进展；俄罗斯的NIKIT研究所在今年也完成了循环熔盐燃料研究反应堆的设计草案，计划于2024年完成装置，2031年开始运行。

之前看一些自媒体说中国在熔盐堆的技术上遥遥领先，结果查了一下目前世界各国的进展：法国搞了理论计算，俄国搞了设计草案，印度神神秘秘没法判断。我国甘肃的熔盐堆还真是世界上唯一一个运行起来的熔盐堆。

虽然目前这个堆还面临着相当多的技术难点，但它是真正能解决核电切肤之痛的技术，也是配得上“从核裂变到核聚变的过渡燃料”这一名号的。相比于核聚变那个似乎永远缩短不了的50年，这个过渡燃料的希望可大多了。

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