随着全球对清洁、可再生能源的需求日益增长，科学家们正日夜不停地寻找各种能源解决方案，以应对气候变化和能源安全的挑战。在这些解决方案中，科学家们一致认为核聚变是未来人类的终极能源，但核聚变的实现条件太过于“苛刻”，短时间内无法大规模推广。针对这一现象，科学家提出对核反应堆进行升级，打造第四代核能系统，作为实现核聚变之前的能源解决方案。
第四代核能系统具有更好的安全性、更强的经济竞争力以及核废物量少，防止核扩散等优点。目前国际上公认的第四代核能系统有六种堆型，它们分别是：气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆、熔盐堆、超临界水堆和高温气冷堆。每个堆型设计参数各异，但它们都有一个共同目标，助力实现核能更高的安全性以及可持续性；而在这些堆型中，熔盐堆凭借高温、常压、无停堆在线换料、闭式燃料循环等多种优点集一身，受到科研人员的大力关注与研究。
1、熔盐堆—“横空出世”到“昙花一现”
20世纪40年代末，冷战的序幕逐渐拉开，美国空军启动了核能飞行器推进计划，寻求制造无限续航的核动力飞机。为此，美国橡树岭国家实验室ORNL提出了一种紧凑型的高温核反应堆概念设计——“熔盐堆”。
即采用U/Th的氟化物燃料，与其他氟盐组成的熔融冷却剂一起进行循环，利用熔盐的常压、高沸点、高热容、高热导率等特点，在固定的空间尺寸下有效提高核反应堆的运行功率，从而更好地适应飞行器对于空间尺寸的限制要求。除此之外，“熔盐堆”还采用在线的燃料处理系统，在不停堆的情况下进行连续的堆芯换料和废物处理，这对于飞行器的超长续航能力也是大有裨益。基于这些优势，“熔盐堆”自诞生之日起，便被寄予厚望。但因其战略弹道导弹的迅速发展，使核动力轰炸机的研发失去了军事应用价值, 熔盐堆的研发逐渐转向民用。此后，美国橡树岭国家实验室进行了8 MW的液态燃料熔盐实验堆运行，并认为熔盐堆具有非常独特而优异的民用动力堆性能，时间来到20世纪70年代，此时正是冷战的高潮，美国政府认为发展核武器的重要性远远大于发展民用核能, 因此选择了研发适合生产武器用钚、具有军民两用前景的钠冷快堆, 放弃了更适合钍铀燃料循环、侧重于民用的熔盐堆[1]。
美国熔盐堆的成功和适用于钍基核燃料的特点引起我国科学界和政府的高度重视。我国科研人员在1971年进行了钍基熔盐堆零功率冷态实验并达到临界, 通过开展各类临界实验, 验证了熔盐反应堆的理论计算, 取得了熔盐静态与动态特性、反应性及其温度效应和核燃料增殖率等实验结果。限于当时的科技水平、工业能力和经济实力, 我国“728工程”转向了轻水反应堆的研发并最终建成秦山一期核电厂, 自此在世界范围内熔盐堆研究的国家行为几乎停止。
2、技术难点在哪里
熔盐堆凭借自身中子利用率高，产生的高毒性放射性核素少，避免核扩散成为新一代的核反应堆候选堆型，但它也存在一些挑战，例如：燃料制备困难；ThO2的熔点(3350℃)比UO2(2800℃)高得多,故生产制备固态钍基燃料元件所需的高密度ThO2和ThO2基混合氧化物(MOX)燃料需要更高的烧结温度(>2 000℃)。在钍转换铀的过程中产生了232U,232U的衰变子核有短寿命强γ辐射的208Tl，给反应堆乏燃料的贮存、运输、后处理、最终的安全处置和燃料的再加工带来困难。熔盐具有强烈的腐蚀性，同时堆内有很强的中子辐射，因此要开发一种可用于熔盐堆的堆内结构材料，同时满足辐射屏蔽与耐腐蚀性能。
3、熔盐堆—“王者归来”
针对碳达峰、碳中和这一议题，国际对熔盐堆的热情又再一次高。2022年12月美国ThorCon公司和法国必维国际检验集团（Bureau Veritas）签署协议，将在印尼部署50万千瓦浮动ThorCon熔盐堆（TMSR-500）开展技术评估和后续开发合作。
2022年9月29日，英国MoltexFLEX公司推出了一种新型熔盐堆FLEX。
2022年荷兰Thorizon公司近期完成1250万欧元（1240万美元）的募资。为了推进钍基熔盐堆研发，Thorizon未来将与法国欧安诺公司（Orano）和荷兰核能研究与咨询集团开展密切合作，并与鲍塞尔核电厂运营商EPZ公司探讨在其现有核电厂址建设首座钍基熔盐堆的可行性。
面对这一情景，中国也做出相应行动。2011年，中科院围绕国家能源安全与可持续发展需求，部署启动了首批中科院战略性先导科技专项(A类)“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”，计划用20年左右的时间，在国际上首先实现钍基熔盐堆的应用，同时建立钍基熔盐堆产业链和相应的科技队伍。专项依托中科院上海应用物理所，上海有机所、上海高研院、长春应化所、金属所等10家院内外科研单位参与。
2023年6月7日，国家核安全局颁布对甘肃武威的钍基熔盐堆实验堆运行许可证，这标志着世界唯一的钍基熔盐堆正式运行，按照预定目标，此次运行将为下一步建造更大功率的实验堆与示范堆提供基础。
中国对钍基熔盐堆的研究引起了全世界的关注，权威科学杂志自然专门为此进行了相关报告。那么中国进行实验的钍基熔盐堆有何特别之处？
首先，第四代核反应堆之前均使用铀作为核燃料，在反应堆堆内一次循环后就被卸出，不在使用，这样大大降低了铀的利用率；钍基熔盐堆就避免了铀资源的浪费，它使用钍作为核燃料，利用钍的衰变生成铀，进行钍铀的循环利用。而且，钍资源在地壳的存储量是铀的三倍，若完全应用，可保证中国电力几千年的供应。另外，我国钍资源储存世界第二，不怕原材料被卡。我国进行的钍基熔盐堆实验不仅在于为下一步提升功率准备，还在于进行核能综合利用的探索，为工业制氢，核能海水淡化提供经验基础。
跨越半个世纪的核能中国梦，熔盐堆在中国科技工作者的努力下，正在从美好设想逐渐变为现实。
作者：张润杰
参考文献
[1] 徐洪杰,戴志敏,蔡翔舟,等.钍基熔盐堆和核能综合利用[J].现代物理知识,2018.
江绵恒,徐洪杰,戴志敏.未来先进核裂变能——TMSR核能系统[J].中国科学院院刊,2012,27(03):366-374.