中国钍熔盐堆获准运行

晨枫

6月7日，国家核安全局向科学院上海应用物理研究所颁发了“关于办法2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆运行许可证的通知”（https://www.mee.gov.cn/xxgk2018/ ... 230613_1033619.html），中国的2MWt钍堆获准开始为期10年的运行。

; S! d" E% b" h1 }) W- t钍也是放射性元素，蕴藏量至少三倍于铀，但天然铀里有99.3%是不能维持链式反应的铀238，剩下的才是可用于核武器和核燃料的铀235和微量的铀234。钍则不然，自然界的钍基本上都是钍232，属于可以发生裂变但不能自然维持链式反应的物质。据认为，地球内部的地热主要来自于钍。因此，从可用核燃料角度来说，钍的蕴藏量比铀大得多。据说中国的钍蕴藏量够用20000年，这差不多是可无限使用了。换句话说，核聚变发电的种种好处差不多可以提前实现了，实现门槛也要低得多。
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钍的开采也容易，成本和铅差不多。现在是稀土的采矿废料，没什么用，一般直接回填。
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钍的放射性很低，裂变反应需要用铀或者钚“点燃”，但热中子增殖很慢。换句话说，更像“核篝火”，而不是“核爆炸”。钍232吸收一个中子后，成为铀233，可用作裂变燃料，但好像还是不宜作为原子弹，那还是需要铀235。钍用作原子弹的材料被早早排除在外。谁需要温吞水原子弹啊。

但钍的这种“温吞水”特性也使得用于核电更加有利。一方面钍燃料依然足够给力，另一方面放射性本来就低，用过后的乏燃料放射性接近无害，处理难度大大低于铀基乏燃料，也不可能用于制造核武器。铀堆的核废料是可能转化成钚239而用于核武器的。放射性低的另一个好处是：一旦关掉钍进料，链式反应自动停止，安全性比铀堆高得多。
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- ]* u- d$ J) T* V& P2 K2 i' _钍熔盐堆（TMSR）有液态和固态两种。按照中科院2016年《十二五重大科技成果及标志性进展》报告，固态堆与现有铀堆相似，技术成熟，可在15-20年内实现；液态堆需要30年。上海应用物理研究所在武威获准运行的是液态堆。但这是实验堆，还不是商用发电堆。

熔盐就是熔融的盐，具有很高的热容量和导热性，是很好的传热介质，高温，低压，化学稳定，但是腐蚀性大。

固态堆就是把钍球像卵石一样堆放起来，或者像铀棒一样成束插入反应堆，流动的熔盐带走热量，以700摄氏度的高温在反应堆外与水进行热交换发电，或者直接用作工业用热，或者高温制氢、制甲醇等。

液态堆用循环流动的熔盐带动钍球进入反应堆，一面生热，一面带离反应堆，自然降温。乏钍球一起带出来，反应堆里没有钍球的堆积，更加安全。但富钍球加入熔盐流容易，乏钍球从熔盐流里分离出来就不那么容易，这是技术难点。

3 a4 o. Y0 _% f' E& S钍堆在60年代就开始研究，美国橡树岭实验室在1965-69年进行了成功的概念验证实验，证明了钍熔盐堆的可行性，但离商用还有很大距离，后来因为拨款中断而没有继续下去。

在更早的50年代，橡树岭还研究过飞机核发动机反应堆，也是钍堆，技术问题太多，半途而废了。
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& }. v& c' i3 l8 k" Y9 o印度在80年代也研究过钍堆，但材料、燃料处理、系统复杂性最后也使得项目下马。

近年来，各国对钍堆的兴趣在增长，2007年，印度导弹之父、前总统阿卜杜勒·卡拉姆说到：“印度的想法是要靠钍反应堆走向独立自主。”据报道，印度珀珀尔原子研究中心一位负责人说：印度的发电用钍堆将在2020年开始使用，“到2020年，印度将是世界上唯一用钍大规模生产核能的国家。”不出意料，印度的豪言壮语没有实现。倒是中国在实用化方面走在前面。
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上海应用物理研究所还在研究小型模块化TMSR，可以在工厂里预制成为模块，在现场按照电力需求拼装成大小不同的装置，便于不同场景的使用。

按照中科院2016年《十二五重大科技成果及标志性进展》报告，中国与美国核学会和机械工程学会开展固态堆安全标准和高温反应堆材料加工标准的合作制定，与橡树岭、麻省理工签订TMSR技术合作协议，中美TMSR合作列入“中美战略与经济对话成果清单”，估计现在全都叫停了。

与此同时，中国往前大步走，美国还在原地。
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芯片和人工智能极端重要，但能源和吃饭才是所有人、所有时间的刚需。中国新能源不止光伏、风电，也在新一代核能方面发展很快。不过现在还是铀堆。等到钍堆也上来了，这就是比光伏、风电还要厉害的新能源，没有季节性和昼夜的问题。而且液态堆的启动/停堆和加减负荷比铀堆简单得多，用于峰谷调度都是可能的。

; |( J' a. y7 y/ Z对了，钍堆还可以建立钍铀循环，据说可以用钍燃料“点火”，把乏铀燃料再“烧”一遍，不仅使得低放射性的乏铀燃料再度“压干榨尽”，还无害化了。液态堆干这事比固态对更便利。
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肯定会有人问：钍堆能用于舰船吗？估计是可以的。堆芯会比铀堆更大，但未必更重，因为保护层可以减轻，放射性没有那么厉害，失控链式反应的危险低得多。但铀堆的燃料和反应堆是一体的，没有铀燃料舱的问题。钍堆不一样，尤其是液态堆，需要有钍燃料舱。毕竟还是放射性的，这东西不好办。当年飞机核反应堆的问题之一就是机上如何安全存放钍燃料。陆地使用就容易解决得多。

在10年代，中国曾经高调推进10MW固态TMSR，计划还是先固后液，但固态TMSR后续消息不多，估计直接转向更有潜力的液态TMSR了。

: ~/ c5 x9 C$ d" y美国现在对中国在新能源方面领先很焦虑。钍堆在实用化方面走出一大步，美国该更焦虑了。会转回头来要求中国科技合作吗？

opensrc

但钍的这种“温吞水”特性也使得用于核电更加有利。一方面钍燃料依然足够给力，另一方面放射性本来就低，用过后的乏燃料放射性接近无害，半衰期也短，处理难度大大低于铀基乏燃料。

挑个错。钍基熔盐堆的好处是，能把半衰期短的元素都烧掉，所以用过后的乏燃料半衰期很长，接近无害。
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相比而言，现在的铀基核反应堆的乏燃料需要安全储存1万年以上才可以被认为是安全的。

晨枫

opensrc 发表于 2023-6-15 10:32
挑个错。钍基熔盐堆的好处是，能把半衰期短的元素都烧掉，所以用过后的乏燃料半衰期很长，接近无害。

相 ...

你说得对，我弄反了。

yanei

要是釷燃料能低价几乎无限供应，那釷反应堆的好处就类似核聚变了？一直以来关于核聚变产生的能量可以用来做什么的各种遐想都可以用釷反应堆来实现了？还是这东西还有什么限制没告诉我们？

. U( k8 a8 W4 _. U- D4 m抓个小虫：“钍232吸收一个中子后，成为铀233”，这里应该是成为釷233吗？

晨枫

yanei 发表于 2023-6-15 12:53
要是釷燃料能低价几乎无限供应，那釷反应堆的好处就类似核聚变了？一直以来关于核聚变产生的能量可以用来做 ...

不是，确实是铀233。
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5 W1 Y. Z8 I. e' ]" y1 F' _3 j钍堆的好处可能更大：比聚变堆更容易实现。

yanei

晨枫 发表于 2023-6-16 03:35
不是，确实是铀233。
% f6 K" J% Q6 G5 }0 B: X
6 |8 k- J6 K1 b. \钍堆的好处可能更大：比聚变堆更容易实现。

$ b6 Z% t3 e/ P" d要变成别的元素不是需要改变质子的数量吗？中子只改变原子量？不过我这是几十年前的印象了。

, a5 w8 X& B0 s7 {% G0 T, x: q核聚变太难太烧钱了，看现在技术就算做成了想维持下去还是要不断烧钱。可釷反应堆不大听说有人遐想核聚变那样的前景。是不是这个太便宜了，里面没有太多的直接的个人利益？

晨枫

yanei 发表于 2023-6-15 13:41
, g1 C3 j- R  Y8 i: ?6 \! `( A要变成别的元素不是需要改变质子的数量吗？中子只改变原子量？不过我这是几十年前的印象了。 ...

9 t  ?2 ~; k! R+ o这个我就不知道了。别看我是学化工的，我的化学真是高中没毕业的水平。化工、化学不是一回事。

沉宝

yanei 发表于 2023-6-16 03:41
要变成别的元素不是需要改变质子的数量吗？中子只改变原子量？不过我这是几十年前的印象了。
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核聚变太难 ...

- A1 j, R! t$ ?, y0 X2 T( ?, X一开始确实是 钍233，不过 钍233 不稳定，经历两次负β衰变后，两个中子变质子，原子序数增加2，就成为铀233啦。

链接：β衰变

yanei

沉宝 发表于 2023-6-16 04:27
一开始确实是 钍233，不过 钍233 不稳定，经历两次负β衰变后，两个中子变质子，原子序数增加2，就成为铀 ...

学习了。用不着整个中子或质子飞来飞去的，踢出去个把电子或正电子听上去容易多了。

三力思

yanei 发表于 2023-6-16 04:51
学习了。用不着整个中子或质子飞来飞去的，踢出去个把电子或正电子听上去容易多了。 ...

( l' m$ d, E+ m+ ^8 ~# [原子核内部的质子，中子比例有个稳定态，稳定态决定放射性同位素的半衰期。 更具体的原子核模型就要引入量子力学把质子，中子归纳成不同同位旋核子的模型

pcb

晨枫 发表于 2023-6-16 03:35
2 g' @0 _) q8 Z% p不是，确实是铀233。

, n/ h1 B% C" b: M/ b钍堆的好处可能更大：比聚变堆更容易实现。

/ o* d. v/ q1 s, U有 beta衰变？

晨枫

pcb 发表于 2023-6-15 19:21
$ l8 v6 _$ [+ M. |; |) ~# w有 beta衰变？

2 O" G8 i8 K+ E' H1 V这些太深奥，我不懂。

yanei

pcb 发表于 2023-6-16 09:21
有 beta衰变？

上面沉宝兄说了：两次负beta衰变。三力思兄也说了：这都是可以算出来的。

" X' u' x/ f7 r+ n' G8 N" v我关心的是假如这东西实用了普及了，是不是可以画好多大饼。至少可以把中国的碳指标卖到全世界吧。

五月

太好了！太好了！太好了！
( Z! o4 q; P0 d/ t9 l+ G8 V7 J

& _: u) B! Y  r2 `2 o
' L5 ?+ }- L2 I中国钍矿储藏量大，可开采量大，开采成本不高。据说可开采储量能用2万年。别说2万年，能用200年的话，对于我们现在的中国就相当于无限量能源供应。
( s; b. K2 x# w( ?  ^) @
中国应该不惜一切代价发展钍堆！
2 ?: Z/ g3 ?( ?+ d7 U4 @, j
不过好像钍堆里面的什么东西腐蚀性非常高，是技术难点。

* P, M- C7 k. u1 z% B& A# ?( [希望钍堆大行于世，建它两三百个。从此天朝永无能源之虞。
- [( `7 k1 W. H+ @
6 l. q7 y( A  [! ~好、好、好！

伯威

钍这字念土？俺一直念牡，偶尔念杜。

晨枫

五月 发表于 2023-6-15 21:49
5 ?& R7 y. T" _太好了！太好了！太好了！

9 Q% Z' t! \( [1 A; d熔盐的腐蚀性很大。

3 D4 l* {1 N- _; D钍不稀有，钍堆搞成了，全世界都受益。

moletronic

晨枫 发表于 2023-6-15 20:23
熔盐的腐蚀性很大。
" r! ^' F$ G6 C( z7 @
& d/ c% j  ^% u% F6 n钍不稀有，钍堆搞成了，全世界都受益。

是啊，俺记得三哥家储量比我鳖还多。

blithe

pcb 发表于 2023-6-16 09:21
! u  R. l6 ~9 ]: ]7 L. A有 beta衰变？

还有正β衰变呢，放射出正电子

teeger

世界各国已探明的独居石储量达几百万吨。随着各国对钍矿的勘探力度的加大，钍的探明储量也在一直增加。截至2000年，全世界独居石产量约78万吨。巴西是最大的钍资源国，其次是土耳其，加拿大和美国。  
我国钍资源比较丰富，据不完全统计。20多个省和地区都已发现具有相当数量的钍资源。2005年中国科学院的资料显示，内蒙古白云鄂博矿区钍储量约为22万吨，占全国钍矿产储量28.6万吨的77.3%。

龙血树

即将影响地缘政治的技术进步啊