它半衰期高达140.5亿年超过宇宙年龄，然而它却是一种绝佳的核燃 “钍”字

来源：“中国科普博览”微信公众号（ID：kepubolan）

作者：寒木钓萌

一提起核燃料，我们首先想到的是铀，但其实，有一种名字很“土”，

半衰期比宇宙年龄还要长，高达140.5亿年的元素

，它也是铀的超级替补，这就是钍
。而熔盐堆主要是指“钍基熔盐堆”
。

钍是什么

在科幻小说中，未来世界是可以直接“烧”岩石的，从理论上讲，这并没有夸张。因为

独居石

这种石头中就含有大量的钍，而含量高的可达8%
。

8%含量看上去似乎也不是那么高，但我们得知道，当今主流的核反应堆，以压水堆为例，

核燃料中参与裂变的铀235含量只在2%～4.4%之间

。

图为独居石，图片来自Ra"ike

在原子家族中，钍排在第90位（原子序数），与排在第92位的铀仅相差两位。

但比铀更优越的是，钍的含量要高得多，地球上，

钍的蕴藏量是铀的3倍到4倍

，而有报道认为，钍就跟铅一样普遍。总部设在美国的钍能源联盟估计，如果美国的用电量不变，则美国的钍蕴藏量足够供电超过1000年
。

诺贝尔物理学奖获得者、粒子物理学家卡罗·鲁比亚说：“目前中国通过进口铀来满足现有的、待建的核电站的需求，

如果用钍，那么中国就根本不需要依赖进口了

。”

钍的蕴藏量比铀大得多，这是世界公认的。现在的问题是，在反应堆中，钍是怎么产生能量的？它也像铀235一样，会裂变吗？

不会

。

钍基熔盐堆原理

铀235的裂变动图

铀235被中子撞击后，裂变并产生中子，从而有连锁反应。但钍不具备铀235这样的特性。不过，这不难解决。

古有点石成金术，而今有中子术。

自然界存在的钍是钍232，当它吸收一个中子后，就变成了钍233，钍233再经过两次β衰变后，就摇身变成了铀233。

而铀233就跟我们熟悉的铀235一样了，只要有中子撞击，铀233就会裂变并产生大量中子，这些中子反过来又去将钍232增值，

如此就能循环下去了

。

还有哪些优势

钍基熔盐堆中，因为高温，钍和其他盐是以一种熔融的形态存在的，反应堆中，熔盐自身既是加载核燃料的载体，且因为是循环流动，所以它同时也是冷却剂。

而像大家熟悉的压水堆，它是通过循环水作为冷却剂，这让反应炉需要常年保持在150个大气压左右。

而钍基熔盐堆因为可以不使用水作为冷却剂，因此反应炉内是在常压下进行，

安全性更高

。

另外，又由于是常压，所以反应堆可以做得很小很小，可以小到常规反应堆的几百分之一，甚至千分之一，这意味着，

它可以应用在核潜艇，甚至是科幻中的核轰炸机上。

压水堆中，核燃料芯块是装入一根有几层金属的管子中，构成核燃料棒

而在钍基熔盐堆中，由于核燃料自身就是熔融状态，所以也就无需专门制作固体燃料组件，这

节约了成本

。

既然这么多优势，为何没见商用？

实际上，熔盐堆的研究是很早的，上世纪40年代末，美国空军为了研制能持续在天上飞行数天的核动力轰炸机， 1946年5月28日，美国空军启动核动力轰炸机NEPA计划，1951年5月，NEPA计划被ANP计划取代，研究方向同样还是核动力飞行，而其动力之源就是熔盐堆。

飞机上的核动力发动机基本原理

冷空气从右下方抽入，通过上图的绿色管道，经过熔盐堆，被强力加热后，从红色管子流向发动机尾部，向后高速喷出，以提供推力。

美国橡树岭国家实验室承担了ANP计划中核能发动机的研发任务，他们于1954年建成第一个小型熔盐堆实验装置，运行最高温度达到 871℃，美国核物理学家阿尔文·温伯格，他在《第一核纪元》一书中说，这在当时是

人类首次将核反应堆运行到如此赤热的状态

。

1954年建的这个熔盐堆虽然没有使用钍，但它证明了熔盐堆的可行性。1966年初，另一个设计功率10兆瓦的熔盐堆建成并成功运行，这时，钍成为了其中的核燃料，这个钍基熔盐实验堆运行很平稳，除了必要的维护而临时停堆外，它一直运行到了1969年12月，后因经费问题才彻底停堆。

之后，远程轰炸机的作用逐渐被战略弹道导弹满足，另一个原因是，当时还是冷战期间，而钍基熔盐堆不像重水堆那样，既能发电，还能从中提取核燃料造原子弹。所以，钍基熔盐堆逐渐受到美国冷落。

温伯格参与了美国熔盐堆的研究，他对此当然耿耿于怀。有一次他说：“这个国家现在一意孤行的要发展快增殖堆，这让其他堆型的发展变得不可能，特别是熔盐堆，希望联合委员会能改正这个错误。”

如今，时代变了，从冷战时期的要大力造核武器，变成了现在的要努力防止核扩散。

因此，

钍基熔盐堆正在被越来越多的国家所重视

。

中科院经过7年多的研究和攻关，已突破熔盐堆各项关键技术，2017年11月7日，中国科学院与甘肃省共同签署“钍基熔盐堆”项目合作框架协议，

预计两年后，也就是2020年左右，甘肃的钍基熔盐实验堆将有望建成。

出品：科普中国

制作：寒木钓萌

监制：中国科学院计算机网络信息中心

本文来源于“中国科普博览”微信公众号（kepubolan），转载请注明公众号出处

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。

你可能也想看

中国全球首座具备四代核安全特性的气冷堆明年发电，气冷堆到底有多安全？

打雷闪电，还与核反应有关系？

识别二维码

关注我们

转载注明出处未经授权不得转载

转载授权、合作、投稿事宜，联系webmaster@kepu.net.cn