王孟源：熔盐堆简介_风闻

【能源】熔鹽堆簡介

2019-01-13 08:42:00

原文网址：https://blog.udn.com/MengyuanWang/123728083

三年多前，我在《高溫氣冷堆》一文中介紹了高溫氣冷球床（Pebble Bed）反應堆的發展過程。到了2017年底，中文媒體報導了一些有關另一種所謂“第四代”反應堆的進展消息，於是就有讀者發問，這個“熔鹽堆”是怎麽一回事。今天在此做個簡介。

首先提醒大家，“第四代”這個詞匯是商業廣告用語，並沒有科學或工程上的嚴格定義。詳細來説，前三代的商用核能電廠不是輕水式（Light Water Reactor，這是相對於含氘的重水，所以輕水其實就是普通含氫的水；輕水式又分爲沸水式和壓水式，它們是現役商用核反應堆的主流）就是重水式（亦即加拿大的CANDU，參見前文《再談中國的核電發展》），利用固態柱狀的鈾或鈽燃料棒浸泡在兼做中子減速劑（Neutron Moderator）和冷卻劑（Coolant）的水中；代與代之間的差別主要在於安全設計上的改進。而近年來流行的所謂“第四代”，則汎指所有不是輕水式或重水式的不成熟設計（所以這是又一個商學院發明的妙語：明明實際上的特徵是還不實用，卻誤導讓人以爲是先進的意思），它們幾乎沒有例外都在原子能濫觴的40年代就有人提出概念，在50和60年代有原型設計；之所以到現在還沒有商業應用，是因爲在當時的商業化過程中競爭不過輕水式和重水式，被放棄了。當然50多年前被放棄，有多種可能的原因，包括政治選擇、技術背景、還有先到先得效應（First Mover Advantage）等等，不一定代表著在21世紀的技術環境下仍會是次等的選擇；但是如果反過來，只因爲它們被包裝成“下一代”的設計，就以爲它們必然是有優越性的，那麽失望的可能性當然遠大於成功（精確來説，成功了才是第四代；成功之前只不過是個實驗）。

2017年傳出的中國“熔鹽堆”計劃（TMSR），並不包含詳細的技術細節，只提到它是由江綿恆博士（江澤民的長子，現任上海科技大學校長）主導推動，將在甘肅先建造2MW的固態釷（Thorium）基熔鹽堆，然後再視情況演進為比較接近實用型的設計。所謂的固態釷基熔鹽堆，是把含釷的核燃料做成燃料球（Pebble），以氟基金屬熔鹽為冷卻劑，因此它既是熔鹽堆，也是球床堆。因爲它的經濟性相對於現有商用核電站很明顯地不會有優勢，在這裏它的目的只能是爲了獲得釷基核反應的一些基本實驗參數，所以我就不詳細討論了。如果我們拿這個2MW的實驗堆和清華發展高溫氣冷堆的歷史相比，晚了不止20年；既然世界第一座商用級別的高溫氣冷堆正在山東石島灣建設之中，可以看出熔鹽堆距離實用化還很遠。

至於未來的商用熔鹽堆會是什麽樣子，實在很難説；這是因爲釷基的熔鹽堆有幾十種不同的設計，各有優劣。我覺得很可能江校長自己都還沒有確定，要等到上面提到的實驗堆出了結果，才能決定下一步。本文爲了方便討論，我假設他會選擇目前看來最先進的Two Fluid Liquid Fluoride Thorium Reactor（Two Fluid LFTR，雙流氟基熔鹽釷反應堆）。

前面提到很多所謂的第四代核反應堆的設計概念，其實在1940年代就有，釷基堆也不例外。它最早是由Eugene Wigner和Alvin Weinberg領導Oak Ridge National Lab的團隊在1944年設想出來。當時美國的另一個主要核子研究單位Argonne National Lab由Enrico Fermi和Walter Zinn主導，選擇專注在鈽基的反應鏈上。在二戰結束後，大家從開發原子彈的曼哈頓計劃抽身出來，開始研究核反應器，最早的大錢來自海軍的核潛艇計劃，這需要很小的體積，所以先合作發展出功率密度很高的輕水堆；而輕水堆也就很快成爲工程上最成熟的設計。

但是輕水堆有許多缺陷，在當時最明顯的包括1）它用鈾235為燃料，不但十分稀缺、濃縮困難，而且裂變反應不完全，利用率不高，反而會產生很多放射性極高的超鈾元素廢料；2）它使用柱狀固態燃料棒，必須承受大量中子轟擊，而且氣態的裂變產物會產生氣泡，所以會隨時間而弱化，必須時常更換；3）更換下來的燃料棒有極高的放射性，不論是回收或掩埋都很困難。於是在輕水堆還沒有成功的1951年，Argonne的團隊就先建成了以液態金屬為冷卻劑的快滋生反應堆（因爲液態金屬對中子沒有什麽減速的效果，快中子可以照射到放在反應器周邊的鈾238，把它轉化成鈽239，參見《再談中國的核電發展》）；而Oak Ridge則在1952年建成HRE-1，成爲世界第一個使用液態燃料的反應堆，不過這用的是氟化鈾溶解在水裏，一直到1959年，才改爲氟基熔鹽。

輕水堆適用在核潛艇，快堆則可以量產核彈頭用的鈽，兩者都獲得了充足的美國政府投資；熔鹽堆爲了爭取公款，只好也想辦法往軍事用途上靠。剛好熔鹽堆有可能做出比輕水堆還要高的功率密度，於是就搭上空軍的核動力轟炸機計劃；雖然沒有做出結果，但是這筆錢最後容許Oak Ridge在1965年做出為民用發電而設計的Molten Salt Reactor Experiment（MSRE，熔鹽堆實驗，熱功率7.4MW）。然而在那之後，United States Atomic Energy Commission（AEC，美國原子能委員會）決定集中資源發展快堆的民用型號，並在1973年開除了Alvin Weinberg（主要因爲他公開批評快堆不夠安全，不適合商用推廣），熔鹽堆從此完全退出主流，一直到21世紀，全球暖化引發核電的新潮流，才有人重新考慮建造熔鹽堆。

因爲MSRE就是人類所建造過的最後一個熔鹽堆原型，我們目前所知比較靠譜的最先進設計正是Oak Ridge團隊所計劃的下一代藍圖，亦即前面提到的LFTR。LFTR又分單流、雙流和單雙混合三種，其中以雙流最乾净、效率最高。它的核心是處於熔融狀態的鈾233氟鹽，外層則是熔融的釷232氟鹽；兩者的環路是分開的，所以叫做雙流。

鈾233是最理想的裂變燃料，不但效率很高，而且產生的放射性廢料最少；它的問題在於自發半衰期太短，而鈾礦是地球誕生時從以往超新星爆炸繼承得來，40多億年下來鈾233早已衰變盡净。剛巧釷232是一個很穩定而普遍的同位素，吸收一個熱中子（Thermal Neutron）之後成爲鏷（Protactinium） 233，然後經過自然β衰變成爲鈾233。雙流LFTR外層的釷鹽就是負責吸收核心裂變洩漏出來的中子，用來滋生燃料。

雙流LFTR的燃料循環

一旦釷232轉化成鈾233，後者必須被提煉出來，移交給反應器的核心環路。這裏是熔鹽堆最妙的工程細節，也是爲什麽熔鹽堆特別適合釷基的核反應：因為鈾有兩種氟化物，在工作溫度（600-1000°C）下四氟化鈾是液體，六氟化鈾卻是氣體，只要在熔鹽裏打入氟氣，四氟化鈾自然變成六氟化鈾而分離出來，所以一般必須在嚴格放射性防護下運送到再處理工廠來做的化學分離，熔鹽堆可以簡單地在現場（In Situ）完成。同樣的，負責做真正核裂變反應的核心環路也可以通過現場加氟，來把還未用掉的鈾233燃料和廢料分離開來。

總結來說，熔鹽堆理論上可以一次解決前面提到的三大輕水堆毛病。然而LFTR從來沒有被建造過，所以幾乎可以確定會有它自己獨特的難題（就像張無忌要練乾坤大挪移第七層，既然設計者自己都沒練過，就必然會有設想錯誤之處）。例如核心與周邊環路之間必須有隔墻，這個隔墻還必須有中子減速的功能，因此當年Oak Ridge團隊計劃用石墨來建造。我在討論核聚變的時候，曾經強調高能中子對墻壁會有很强的破壞作用，這裏也是一樣的；如何在放射性環境下定期更換石墨墻，絕對不是一件簡單的事。當然，熔鹽堆的石墨墻比核聚變的真空腔壁要小得多、也便宜得多，所承受的中子流要弱得多，也沒有高溫等離子體的衝擊問題，所以並不是完全不可能解決的。

我想讀者看到這裏，應該可以理解早先我爲什麽說中國的熔鹽堆未來的發展方向還不能確定。這個技術實在太不成熟，至少還要20年才會達到建造商用原型的地步。它有它的優點，但是也必然會有工程上的重大困難。最終它能否與其他的核反應堆競爭，目前不可能準確預測。我以前曾經估計過，高溫氣冷堆有商業性成功的機率在10%那一級，熔鹽堆大約也在同一級別；這已經值得國家投資了，但是我們不必也不應該過度樂觀。

【後註一，2021/09/10】《Nature》在2021年9月9日報導（參見《China prepares to test thorium-fuelled nuclear reactor》），中國在武威興建的2MW熔鹽實驗堆TMSR已經完工，將在本月試機。

【後註二，2024/03/18】我剛剛注意到石島灣高溫氣冷堆（參見前文《高溫氣冷堆》）在2023年12月6日正式通過測試，開始商業運行（參見《 全球首个！清华大学牵头研发设计的全球领先第四代核电机组进入商业运行》）。博客解釋過，這個清華大學主導的項目，技術來源自德國：第一代的AVR（參見《Wikipedia：AVR reactor》）是技術驗證堆，熱功率46MW、電功率15MW，1967年開始運行；第二代的THTR-300（參見《Wikipedia：THTR-300》）是工程驗證堆，1985年建成。很不幸的，1986年的Chernobyl事故激發了德國的反核運動，以致兩者都在1988年被關停。當時團隊中的清華學者説服了中國科技管理階層，以很低的價格買下了全部知識產權和關鍵部件樣品，繼續改良設計，先在2000年複製了一個與THTR-300同一世代但功率還低於AVR的研究堆HTR-10（參見《Wikipedia：HTR-10》），然後大功率的商業示範堆HTR-PM（參見《Wikipedia：HTR-PM》）才在2006年被立項，2011年正式批准，2012年開建，2021年成功臨界，到2023年底終於完成所有測試，正式商業運行。

我之所以把這些陳年歷史一一復述，並且放在討論熔鹽堆的博文下面，是因爲【後註一】所提起的TMSR學術實驗堆在2021年才建成，熱功率2MW、電功率為零，比AVR還要原始一代，顯然還處在第零代階段，卻在2023年就和造船廠開始合作公關造勢，要求立刻上馬商用項目。更別提目前吹噓將在2035年開始聚變反應的ITER國際熱核聚變實驗反應堆，其净功率明確定爲極大的負值，等離子所卻已經迫不及待地策劃與幾乎整個中國核電行業合作建商用電廠，更是離譜到極點。考慮到基本原理和工業設計相對來説簡單至極的高溫氣冷堆（這個設計簡單的特性，特別是除了燃料之外沒有必須定期更換的部件，正是高溫氣冷堆能夠成爲當前主流壓水堆的唯一商用競爭對手的基本原因，也是熔鹽堆和聚變堆的最大軟肋，尤其後者的内壁若要產生正的電功率，別説定期更換，建都建不出）從技術驗證堆建成到第一座示範堆真正商用發電，尚且花了三代56年，其中清華大學自1988年接手，花了35年才成功跨越最後一個世代，可見核能發電因爲高輻射性特質，工程任務極度艱巨，每一步向前都必須慎之又慎。在這樣的對照之下，任何稍微有點專業常識的人，都可以簡單斷定當前熔鹽堆和核聚變發電的商用計劃皆屬純粹詐騙；這麽明顯的詐騙，卻可以堂而皇之地和大型國營企業串聯起來搞，正是中國科技管理和學術文化極度腐敗的結果和表徵。