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第四代核能技术

1、核能技术衍变史

简单来讲，全球核能技术的发展经历了四代，今天我们提到的钍基熔盐堆属于第四代核能技术中的一种。相较前三代核能技术，第四代核能技术在安全性、经济性、防扩散及实物保护等方面具备明显的优势。

2、第四代核能技术

2001年，在第四代核能系统国际论坛（GIF）框架下，本着“可持续性、经济性、安全与可靠性、废物最小化、防扩散和实体保护”的综合要求和发展目标，共有六种技术路线入选了最具前景的核能系统选型，分别是超高温气冷堆（VHTR）、超临界水堆（SCWR）、气冷快堆（GFR）、铅冷快堆（LFR）、钠冷快堆（SFR）和熔盐堆（MSR）。

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熔盐堆发展史

1、起源

二战结束后，美国空军为了给远程轰炸机寻求航空核动力(轻水堆是美国海军为潜艇研发的核动力装置)，熔盐堆技术研发自上世纪四十年代末应运而生。其早期概念为液态燃料熔盐堆，燃料可以为铀235、 铀233、钚239 以及其他超铀元素的氟化物盐。这些氟化物燃料盐直接溶解于冷却剂熔盐中，其中液态氟化盐既用作冷却剂，也作为核燃料的载体。得益于氟化熔盐冷却剂的高热容、高热导、高沸点以及低蒸汽压等特点，熔盐堆具有高温输出、高功率密度、可常压操作等优点，在本征安全性以及经济性上具有极大的优势和潜力。

2、转向

冷战时代开始，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，因此熔盐堆的研发于20世纪 60 年代转向民用。美国橡树岭国家实验室（ORNL）于1965 年建成热功率 8兆瓦 的液态燃料熔盐实验堆(MSRE)，获得巨大的成功。MSRE 进行了大量的堆实验，证明了熔盐堆具有非常独特而优异的民用动力堆性能，可以用铀基核燃料，更适合于钍基核燃料，理论上可以实现完全的钍铀燃料闭式循环。

3、波折

上世纪70年代，正值冷战高潮，美苏军备竞赛如火如荼。ORNL当时虽然已经完成了热功率为2250 兆瓦的增殖熔盐堆(MSBR)的设计，但是发展核武器的重要性和紧迫性远远大于民用，在核能研究规模整体收缩的背景下，美国政府选择了研发适合生产武器用钚、具备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。同期，我国也曾选择钍基熔盐堆作为发展民用核能的起步点，上海“728 工程”于 1971 年建成了零功率冷态熔盐堆并达到临界，但限于当时的科技、工业和经济水平，“728 工程”最终转为建设轻水反应堆。

4、转机

21世纪初，全球面临能源危机、环境污染以及核技术扩散挑战，为钍基熔盐堆发展提供了新的发展机遇。作为2001年第四代核反应堆国际论坛(GIF)评选的六个候选堆型之一，钍基熔盐堆研发热潮自此在世界范围内呈现急剧升温的趋势。近年来，美国能源部制定了新的核能发展战略，重新定义四代堆为“非水堆”(即不用水冷却的反应堆)，计划 2030年至少有一种四代堆达到技术成熟并开始商业应用；同时改变传统反应堆国家实验室主导的研发方式，鼓励企业参与先进堆的研发，已有近10家美国企业选择小型模块熔盐堆作为研发对象。

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钍基熔盐堆的技术特性与战略意义

1、钍基熔盐堆

大家最熟悉的核燃料莫过于铀元素，然而还有一种不为人熟知的核燃料，居然比铀元素还要安全100倍以上，它就是钍（tǔ）元素。

钍基熔盐堆（Thorium Molten Salt Reactor）简称TMSR，又称液态氟化钍反应堆（Liquid Fluoride Thorium Reactor，LFTR）。钍基熔盐堆采用熔盐状态燃料以及采用钍-232作为增殖燃料，利用钍-铀循环产能，方式是在热中子堆中把钍232转化为另外一种核燃料铀233，然后把铀233分离出来返回堆中循环使用。

作为第四代核能系统国际论坛（GIF）六种堆型中熔盐堆（MSR）的主要堆型，钍基熔盐核反应堆被认为是未来最安全的反应堆技术之一，号称是核聚变前的终极能源解决方案。虽然在实现成熟的商业运行之前仍然存在局部风险，但这些风险已经有可靠的对策，处于相当可控的范围。国际知名高能物理学家叶恭平博士曾经在10年前就说过，目前全世界430多座核反应堆只提供了人类2.6%的能源。而如果钍核电技术能够大规模推广，有可能使清洁能源在全球能源的比例从3%提高到40%到50%。

钍基熔盐堆核能系统示意图

2、钍基熔盐堆的四大优点

1）资源更丰富

熔盐堆以钍为燃料，钍元素在地球的储量较高，地层中钍矿资源储量远比铀和钚更丰富。截至2020年，我国已探明的钍资源储量约为30万吨，按照诺贝尔物理学奖获得者卡罗·卢比亚的说法，如果用钍来发电，按照目前的能耗比计算，中国现有钍资源储量能够满足未来20000年的需要。

2）安全性更高

钍基熔盐堆安全系数更高。首先，当反应堆内温度超过上限值时，底部的冷冻塞将会自动熔化，携带核燃料的熔盐将全部流入封闭的应急储存罐中，核反应随即终止，反应堆则会迅速降温。其次，作为冷却剂的复合型氟化盐，在冷却后迅速凝固成为固态盐，固态盐导致泄露和污染环境的概率很低。第三，钍比铀元素的辐射量更低，正常情况下钍基熔盐堆产生的核废料也很少，不到铀和钚核反应堆的1‰，其危害时间也从几万年降低为几百年。从以上三点我们可以看到，钍基熔盐堆发电技术要比传统核电技术反应堆安全得多，基本不会出现像日本福岛那样高温烧毁导致核泄漏的情况出现，因此钍基熔盐反应堆被看作是未来核能发电领域最安全的反应堆技术之一。

3）热效率更高

钍基熔盐堆的热转换效率更高。理论上，1吨钍可以提供相当于200吨铀，或者350万吨煤所提供的能源。堆芯燃料是溶解于氟盐中的钍铀混合物，其工作环境可以实现常压高温（700℃）。液态燃料流入堆芯后达到临界值发生裂变反应产生热能，热量被自身吸收并带走，流出堆芯后重返次临界状态，从而实现循环使用。运行时氟盐热容可获得比前代核电技术更高效率的热能，热电转换效率可达到45%-50%，高于目前主流反应的33%。

4）更省水资源

钍基熔盐堆采用复合型氟化盐作为冷却剂而不是水，相比铀和钚反应堆就节省了大量宝贵的水资源，因此它的环境兼容性更强。不用像现在的核反应堆那样必须建在具备丰富水源的地点，选址更加灵活。

3、资源禀赋与地缘战略

中国已探明钍工业储量约28万吨，居全球第二，而铀资源对外依存度高达70%以上。钍基技术可大幅降低对进口铀的依赖，实现能源自主可控。全球范围内，钍储量是铀的3~4倍，其广泛分布性（如澳大利亚、印度、巴西等国）有望重塑国际能源供应链格局，减少地缘政治对能源安全的冲击。

2011年，中国科学院重启TMSR专项，将其纳入国家战略性先导科技计划，开启长达20年的技术攻坚。

4、钍基熔盐堆的难点

钍基熔盐堆的难度可以从材料技术、燃料循环技术、安全性和经济性几个角度来看。

首先是高温抗腐蚀材料技术难点。钍基熔盐核反应堆的工作温度非常高，氟盐的熔点是550℃，沸点是1400℃，堆中熔盐的工作温度是700℃。采用氟盐的原因一方面是它的“热容能力”比钠盐高5倍，另一方面它的热交换能力比通常的“压水堆”高出 25%。但是氟熔盐的腐蚀性很强，循环管道必须有极好的防腐性能才行。容器和管道需要耐高温、抗腐蚀的材料来承受工作环境，这是一个巨大的技术挑战。

其次是燃料循环技术难点。反应堆使用钍燃料，需要非常可靠的燃料循环技术来实现燃料的提取、加工和重新装填。

第三是安全性问题。虽然它比传统的核反应堆更加安全，但它仍然面临核泄露、放射性污染等安全风险的挑战，需要在设计和运行过程中充分考虑。

最后是经济可行性问题。按照商业化运行的标准和要求，钍基熔盐核反应堆目前的建造和运行的成本仍然偏高，必须进一步提高经济可行性才有可能实现大规模商业化应用。

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中国实现从实验堆到产业化布局

1、技术突破里程碑

甘肃武威的2MWt液态燃料实验堆（TMSR-LF1）是中国钍基技术的核心试验平台。2023年10月实现首次临界，2024年6月满功率运行，同年10月完成全球首次加钍实验，验证了钍铀循环的关键参数。该堆虽未商业化，但为后续研发奠定了数据基础。

2025年，中国计划开建全球首座10MWe钍基熔盐研究堆（热功率60MWt），预计2029年投运。该堆将集成高温制氢、熔盐储能等功能，目标是为2030年代百兆瓦级示范堆提供工程验证。

2、产业链与配套技术进展

材料实现突破。熔盐堆需耐受高温、强辐射与腐蚀环境，中国自主研制的GH3535镍基合金（含镍、钼、铬等元素），耐腐蚀性能接近美国Hastelloy N，已应用于反应堆容器与管道。

实现多场景应用。2023年，江南造船发布全球首艘24000TEU核动力集装箱船，采用熔盐堆方案，验证了其在船舶动力领域的潜力。此外，甘肃武威同步推进熔盐储能、高温制氢项目，探索核能综合利用模式。

3、政策与资本驱动

中国将TMSR列为国家重大科技专项，总投资达220亿元。甘肃武威规划“实验堆-研究堆-示范堆”三步走战略，目标2030年实现商业化推广。地方政府通过税收优惠、土地支持等政策吸引产业链上下游企业集聚。

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钍基熔盐堆的技术商业化

与全球竞争格局

1、技术路线图与挑战

短期目标是在2030年前建成工业示范堆，完成钍铀燃料循环验证，形成规模化钍燃料处理能力。长期愿景期望在2040年实现百吨级乏燃料干法分离装置，构建钍基核能全产业链闭环。

目前面临的主要技术瓶颈是高温熔盐对材料的腐蚀速率需控制在50μm/年以下，放射性废物干法分离技术仍需突破，产业链配套（如熔盐泵、阀门）尚待完善。

2、应用场景拓展

模块化小型堆：10MWe级堆型可部署于电网薄弱地区或工业园区，提供稳定基荷电力。核能综合利用：反应堆高温输出（700℃以上）可直接用于制氢、化工生产或区域供暖，能源利用效率提升至50%以上，远超传统核电站的30%。

3、全球竞争态势

中国处于领先地位，武威实验堆是全球唯一运行的液态燃料钍基熔盐堆，且在材料、工程化领域形成自主知识产权。从全球来看，美国聚焦钠冷快堆，印度虽钍资源丰富但技术滞后，欧盟则扶持法国NAAREA公司研发熔盐微堆，但均未进入工程验证阶段。

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结语：能源革命的“龟兔赛跑”

与人类未来

钍基熔盐堆的崛起，印证了中国“长周期战略投入”模式的可行性。相较于核聚变仍需数十年攻关，钍基技术有望在2030年代率先实现商业化，成为碳中和时代的“过渡型终极能源”。

这一技术不仅关乎能源安全，更将重塑全球能源权力结构。中国通过将戈壁荒漠转化为“能源绿洲”，为干旱地区发展提供新范式。然而，其推广仍需平衡公众对核能的接受度、成本控制与国际技术标准制定权争夺。若成功，钍基熔盐堆或成为21世纪能源史上最深刻的变革之一。

作者：李强