中國即將開建全球首座釷基熔鹽堆商轉核電站

一、第四代核電站蓬勃發展但台灣卻在廢核

   第四代核電技術的特性是高安全性、廢棄物少及無需緊急計畫，以鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)、氣冷快堆(GFR)、超臨界水冷器(SCWR)、超高溫氣冷堆(VHTR)和熔鹽堆(MSR)等6種堆型為代表，中國山東石島灣的高溫氣冷堆、甘肅武威的釷基熔鹽堆及福建霞浦的鈉冷快堆都屬於第四代反應堆。根據南華早報報導，中國即將建造世界上第一座釷基熔鹽堆核商用核電站，標誌著中國核電領域的重大突破。這座核電站熱功率為60兆瓦，將於2025年動工。中國甘肅省已經擁有全球唯一的實驗性釷基熔鹽實驗堆。它的熱功率為2兆瓦，雖然無法發電，但已經證明了該技術的可行性。一座新的釷基熔鹽核電站正在旁邊建造，計劃於2029年竣工並投入使用。在1960年代，美國建造了第一座液態燃料熔鹽實驗堆，但由於操作複雜和管道腐蝕性高，該計畫被認為是不可行釷反應器是安全的，它使用了液態燃料和熔鹽冷卻劑，後者可以防止緊急停止時發生爆炸。專家估計，中國的釷儲量足以支持中國未來2萬年內的能源需求。中國率先掌握了第四代核電技術，一躍成為全球新能源領域的領跑者，而台灣卻在搞廢核令人不剩唏噓。歐美想在2050年實現淨零碳排放非常困難，需要大幅擴展包括核電在內的清潔能源。國際原子能總署AEA)技術報告新出版物《熔鹽反應堆技術現況》回顧了熔鹽堆的歷史，介紹了該技術的優點，保羅謝勒研究所P先進核系統小組的高級科學家兼MSR工作主席Jiri Krepel說“利用釷232和鈾238的幾種設計可以提供前所未有的安全性和燃料循環可持續性的結合。”

   依據POWER網站報導，美國也有一座第四代核反應器開始建設，Kairos Power電力公司的35兆瓦示範熔鹽核反應器Hermes 的建設已在田納西州橡樹嶺正式啟動。這項努力標誌著蓬勃發展的先進核工業邁出的又一重大一步，該工業慶祝了TerraPower 的 Kemmerer 1 的破土動工，這是一個開創性的鈉冷快堆示範項目。Hermes 核電站預計於 2027 年竣工，屆時將成為 Kairos Power 的第一座核電站。該示範熔鹽反應堆是這家位於加州阿拉米達的工程公司著名的「快速迭代開發方法」的一部分，該方法用於開發和行銷基於其氟化鹽冷卻高溫反應器（KP-FHR）技術的核電廠設計。Kairos 預計 KP-FHR 商業反應器可能會在 2030 年代初期投入運作。Kairos 的 KP-FHR 採用石墨慢化、「隨機填充」球床反應器，並配有熔融氟化物鹽冷卻劑。 KP-FHR 設計用於在高溫和接近大氣壓力的壓力下運行，使用 具有碳基塗層顆粒設計的卵石形式的三結構各向同性 (TRISO) 顆粒燃料。Kairos指出，反應器冷卻劑是一種化學穩定的低壓熔融氟化物鹽混合物，沸點為 1,430°C，明顯低於 1,600°C，但功能非常高。 Kairos 監管事務和品質副總裁 Peter Hastings在最近向 NRC 提交的證詞中表示：“基本概念是將(TRISO)顆粒燃料與熔融氟化物鹽冷卻劑相結合。”

二、熔鹽堆核電站未來展望

    中國科學院上海應用物理研究所已獲得釷熔鹽反應堆的運轉許可證，該反應堆於2018年 9月在甘肅省武威市開工建設，反應堆轉化率約為 0.1。使用含 99.95% Li-7 的富鋰鈹氟化物覆蓋層，燃料為UF4。依據自然雜誌報導，中國的釷基熔鹽堆使用氟化鹽。當加熱到 450°C 左右時，它們會熔化成無色透明液體。這種鹽相當於反應堆堆芯的冷卻劑。此外，熔鹽反應堆也使用液態鹽作為燃料的基質，例如直接溶解在堆芯中的釷，而不是固體燃料棒。熔鹽反應堆具有非常高的操作安全性。燃料溶解在液體中，這些反應堆在比傳統核反應堆更低的壓力下運行。中國使用新型材料解決燃料鹽對管道的腐蝕作用，製造出了耐中子輻照性能的管道材料。熔鹽堆的優異性能主要來自其複合熔鹽冷卻劑的高沸點等物理化學特點，熔鹽還可以用在太陽能集熱、大規模熱能存儲和大功率電池等，熔鹽堆的廣泛使用將給能源帶來革命性變化。釷熔鹽反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽，不像鈾反應堆或輕水反應堆那樣，需要使用大量的冷卻水，所以它不需要像傳統核電站那樣需建在江河湖海邊，內陸地區、沙漠、山區、乾旱及高原地區都可以興建。釷熔鹽堆輸出的700攝氏度以上高溫可用於發電、工業熱應用、高溫制氫、海水淡化及氫吸收二氧化碳制甲醇等，可以有力緩解碳排放和環境污染問題。隨著我國科技水平的不斷發展，未來釷反應堆將會有更多的應用場景。另外也可用於太空用途，釷反應堆可以小型化，安全性高，可用於宇宙飛船。

  十多年來，中國為釷熔鹽堆項目開發投入了超過5.35億歐元，隨著甘肅武威釷基熔鹽堆成功運轉，中國將成為第一個有機會將該技術商業化的國家，這項技術突破將讓人類享有更豐富更安全的能源，中國承諾2060 年實現碳中和的目標，可考慮用釷核反應堆取代目前燃煤和燃氣發電廠的鍋爐。一噸釷足以為一個熔鹽反應堆供電一年，地球的釷儲量可以供應世界數万年的能源需求。釷成本低，每噸約 250,000 歐元，或 0.029 歐元/兆瓦時，而鈾約 10 歐元/兆瓦時，釷每生產 1 兆瓦時便宜約 350 倍。與傳統反應堆相比，它還有可能產生更少的長壽命放射性廢物。總體積可能比傳統反應堆少約 35 倍，以產生相同數量的能量。99.99% 的廢物將在 300 年內保持穩定，而不是目前燃料的數萬年。根據 1984 年諾貝爾物理學獎的共同獲得者卡洛·魯比亞的說法，一噸釷裂變產生的能量相當於約 200 噸鈾。鑑於 7 克鈾相當於約一噸煤，一噸釷將替代約 2800 萬噸煤，可以減少龐大的二氧化碳排放。一噸釷是一個直徑約 55 厘米的球體。一塊網球大小的釷可以讓倫敦通電一周。一噸釷足以為一個熔鹽反應堆供電一年，地球的釷儲量可以供應世界數万年的能源需求。

三、熔鹽堆的優點

   熔鹽的廣泛使用將給能源帶來革命性變化，優點如下:

(一)釷在地球儲量豐富比鈾更豐富

   釷廣泛分布於地殼中，中國探明的釷儲量約28萬噸，僅次於印度，居世界第二位。台灣也有獨居石含釷重砂，但鈾礦就要少很多了。地球地層中釷的儲量較高，遠高於鈾元素，如螢石礦中就含有釷，礦產來源要容易得多，諾貝爾物理學獎獲得者，卡羅·盧比亞曾經說過，如果用釷發電，中國釷的儲量能夠保證未來許多個世紀的發電供應，大致可以使用兩萬年。

(二)廢料較少

   熔鹽堆最大的商業優勢是在核廢料的處理上，採用核廢料混合反應，無疑可以減少廢料處理難題。來自釷的放射性廢物只需要儲存大約500 年，而鈾則需要數千年。用釷製造武器級鈾也更加困難和耗時。

(三)節省水資源且環境兼容性大可選在內地及沙漠不須瀕臨河海

   釷熔鹽反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽，不像鈾反應堆或輕水反應堆那樣，需要使用大量的冷卻水，所以它不需要像傳統核電站那樣，建在江河湖海邊，內陸地區、沙漠、山區、乾旱及高原地區都可以興建，對地點更富彈性。釷基反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽，不像鈾反應堆那樣需要消耗大量的冷卻水資源，所以環境兼容性較大，在缺水的地方也可以建造和運行。

(四)熱轉換效率更高能量更大

   1噸釷能夠提供相當於200噸鈾、或者350萬噸煤所提供的能源，目前世界已知的釷儲量至少能夠為全世界提供1萬年的能源支持。所以，釷反應堆有機會緩解人類世界即將到來的能源危機，對於任何國家來說都是非常重要的戰略方向。釷基熔岩堆的堆芯燃料是溶解於氟鹽中的釷鈾混合物，氟鹽的熔點為550℃，沸點是1400℃，其工作環境可以實現常壓高溫（700℃），液態燃料流入改進後的堆芯後達到臨界值發生裂變反應產生熱能，熱量被自身吸收並帶走，流出堆芯後重返次臨界狀態，這樣可以做到循環使用，運行時氟鹽熱容可獲得比先前的核電技術更高效率的熱能，這代表著熱電轉換效率更高，其採用布雷頓熱循環，熱點轉換效率可達到45%-50%，高於目前主流反應堆朗肯循環（33%），可利用熱量更大。

(五)釷基熔鹽堆安全性高

   釷基反應堆發電技術是比以往的核電技術反應堆安全得多的核能發電技術，它基本不會出現高溫燒毀的情況，因為當反應堆內溫度超過預定值時，其底部的冷凍塞就會自動熔化，攜帶核燃料的熔鹽將全部流入應急儲存罐中，核反應也就隨即終止了，之後反應堆就會迅速降溫了。釷232不會發生裂變，而是需要中子轟擊轉換成鈾233同位素才能分裂，沒有中子注入，這個反應鏈就終止了。釷只會產生核能，廢料不會被拿來作為“貧鈾彈”。釷基熔鹽堆使用液態氟化釷作為燃料和冷卻劑，在反應過程中處於熔融狀態，壓力和機械應力更小，沒有爆炸的危險，並且如果管道、反應器發生破損，能夠迅速凝固，不會像福島核電站那樣污染水源。輕水堆由於壓力高，一旦發生管道破損，輻射物可以隨著水蒸氣四處飄散。而使用熔鹽堆可以在常規大氣壓下運行，因此管道不需要太厚，使用壽命也顯著增加。具有高溫、低壓、高化學穩定性、高熱容等熱物特性，釷基熔鹽堆使用無需使用沉重而昂貴的壓力容器，適合建成緊湊、輕量化和低成本的小型模塊化反應堆;熔鹽堆採用無水冷卻技術，不會因缺冷卻水發生爐心熔毀。正常情況下釷基反應堆產生的核廢料也很少，不到鈾和鈽核反應堆的1%，而且其危險性可從幾萬年降低的幾百年。所以釷基反應堆被看作是未來核能發電領域最安全的反應堆技術之一。

(六)用途廣

   釷熔鹽堆輸出的700攝氏度以上高溫可用於發電、工業熱應用、高溫制氫、海水淡化及氫吸收二氧化碳制甲醇等，可以有力緩解碳排放和環境污染問題。隨著我國科技水平的不斷發展，未來釷反應堆將會有更多的應用場景。另外也可用於太空用途，釷反應堆可以小型化，安全性高，可用於宇宙飛船。 

   作為國際上正在發展的第四代反應堆技術，上述六大顛覆性優勢說明釷基熔鹽堆具有突出的安全性和可開發性，中國在這方面的研究「處於國際引領地位」，甘肅武威釷基反應堆此次試驗意義重大，若能成功運行代表著中國在這項技術上率先取得突破，可擺脫能源對外依賴。