【能源】熔盐堆简介

三年多前，我在《高温气冷堆》一文中介绍了高温气冷球床（Pebble Bed）反应堆的发展过程。到了2017年底，中文媒体报导了一些有关另一种所谓“第四代”反应堆的进展消息，于是就有读者发问，这个“熔盐堆”是怎么一回事。今天在此做个简介。

首先提醒大家，“第四代”这个词汇是商业广告用语，并没有科学或工程上的严格定义。详细来说，前三代的商用核能电厂不是轻水式（Light Water Reactor，这是相对于含氘的重水，所以轻水其实就是普通含氢的水；轻水式又分为沸水式和压水式，它们是现役商用核反应堆的主流）就是重水式（亦即加拿大的CANDU，参见前文《再谈中国的核电发展》），利用固态柱状的铀或钸燃料棒浸泡在兼做中子减速剂（Neutron Moderator）和冷却剂（Coolant）的水中；代与代之间的差别主要在于安全设计上的改进。而近年来流行的所谓“第四代”，则泛指所有不是轻水式或重水式的不成熟设计（所以这是又一个商学院发明的妙语：明明实际上的特徵是还不实用，却误导让人以为是先进的意思），它们几乎没有例外都在原子能滥觞的40年代就有人提出概念，在50和60年代有原型设计；之所以到现在还没有商业应用，是因为在当时的商业化过程中竞争不过轻水式和重水式，被放弃了。当然50多年前被放弃，有多种可能的原因，包括政治选择、技术背景、还有先到先得效应（First Mover Advantage）等等，不一定代表着在21世纪的技术环境下仍会是次等的选择；但是如果反过来，只因为它们被包装成“下一代”的设计，就以为它们必然是有优越性的，那么失望的可能性当然远大于成功（精确来说，成功了才是第四代；成功之前只不过是个实验）。

2017年传出的中国“熔盐堆”计划（TMSR），并不包含详细的技术细节，只提到它是由现任上海科技大学江校长主导推动，将在甘肃先建造2MW的固态钍（Thorium）基熔盐堆，然后再视情况演进为比较接近实用型的设计。所谓的固态钍基熔盐堆，是把含钍的核燃料做成燃料球（Pebble），以氟基金属熔盐为冷却剂，因此它既是熔盐堆，也是球床堆。因为它的经济性相对于现有商用核电站很明显地不会有优势，在这里它的目的只能是为了获得钍基核反应的一些基本实验参数，所以我就不详细讨论了。如果我们拿这个2MW的实验堆和清华发展高温气冷堆的历史相比，晚了不止20年；既然世界第一座商用级别的高温气冷堆正在山东石岛湾建设之中，可以看出熔盐堆距离实用化还很远。

至于未来的商用熔盐堆会是什么样子，实在很难说；这是因为钍基的熔盐堆有几十种不同的设计，各有优劣。我觉得很可能江校长自己都还没有确定，要等到上面提到的实验堆出了结果，才能决定下一步。本文为了方便讨论，我假设他会选择目前看来最先进的Two Fluid Liquid Fluoride Thorium Reactor（Two Fluid LFTR，双流氟基熔盐钍反应堆）。

前面提到很多所谓的第四代核反应堆的设计概念，其实在1940年代就有，钍基堆也不例外。它最早是由Eugene Wigner和Alvin Weinberg领导Oak Ridge National Lab的团队在1944年设想出来。当时美国的另一个主要核子研究单位Argonne National Lab由Enrico Fermi和Walter Zinn主导，选择专注在钸基的反应链上。在二战结束后，大家从开发原子弹的曼哈顿计划抽身出来，开始研究核反应器，最早的大钱来自海军的核潜艇计划，这需要很小的体积，所以先合作发展出功率密度很高的轻水堆；而轻水堆也就很快成为工程上最成熟的设计。

但是轻水堆有许多缺陷，在当时最明显的包括1）它用铀235为燃料，不但十分稀缺、浓缩困难，而且裂变反应不完全，利用率不高，反而会产生很多放射性极高的超铀元素废料；2）它使用柱状固态燃料棒，必须承受大量中子轰击，而且气态的裂变产物会产生气泡，所以会随时间而弱化，必须时常更换；3）更换下来的燃料棒有极高的放射性，不论是回收或掩埋都很困难。于是在轻水堆还没有成功的1951年，Argonne的团队就先建成了以液态金属为冷却剂的快滋生反应堆（因为液态金属对中子没有什么减速的效果，快中子可以照射到放在反应器周边的铀238，把它转化成钸239，参见《再谈中国的核电发展》）；而Oak Ridge则在1952年建成HRE-1，成为世界第一个使用液态燃料的反应堆，不过这用的是氟化铀溶解在水里，一直到1959年，才改为氟基熔盐。

轻水堆适用在核潜艇，快堆则可以量产核弹头用的钸，两者都获得了充足的美国政府投资；熔盐堆为了争取公款，只好也想办法往军事用途上靠。刚好熔盐堆有可能做出比轻水堆还要高的功率密度，于是就搭上空军的核动力轰炸机计划；虽然没有做出结果，但是这笔钱最后容许Oak Ridge在1965年做出为民用发电而设计的Molten Salt Reactor Experiment（MSRE，熔盐堆实验，热功率7.4MW）。然而在那之后，United States Atomic Energy Commission（AEC，美国原子能委员会）决定集中资源发展快堆的民用型号，并在1973年开除了Alvin Weinberg（主要因为他公开批评快堆不够安全，不适合商用推广），熔盐堆从此完全退出主流，一直到21世纪，全球暖化引发核电的新潮流，才有人重新考虑建造熔盐堆。

因为MSRE就是人类所建造过的最后一个熔盐堆原型，我们目前所知比较靠谱的最先进设计正是Oak Ridge团队所计划的下一代蓝图，亦即前面提到的LFTR。LFTR又分单流、双流和单双混合三种，其中以双流最干净、效率最高。它的核心是处于熔融状态的铀233氟盐，外层则是熔融的钍232氟盐；两者的环路是分开的，所以叫做双流。

铀233是最理想的裂变燃料，不但效率很高，而且产生的放射性废料最少；它的问题在于自发半衰期太短，而铀矿是地球诞生时从以往超新星爆炸继承得来，40多亿年下来铀233早已衰变尽净。刚巧钍232是一个很稳定而普遍的同位素，吸收一个热中子（Thermal Neutron）之后成为镤（Protactinium） 233，然后经过自然β衰变成为铀233。双流LFTR外层的钍盐就是负责吸收核心裂变洩漏出来的中子，用来滋生燃料。

双流LFTR的燃料循环

一旦钍232转化成铀233，后者必须被提炼出来，移交给反应器的核心环路。这里是熔盐堆最妙的工程细节，也是为什么熔盐堆特别适合钍基的核反应：因为铀有两种氟化物，在工作温度（600-1000°C）下四氟化铀是液体，六氟化铀却是气体，只要在熔盐里打入氟气，四氟化铀自然变成六氟化铀而分离出来，所以一般必须在严格放射性防护下运送到再处理工厂来做的化学分离，熔盐堆可以简单地在现场（In Situ）完成。同样的，负责做真正核裂变反应的核心环路也可以通过现场加氟，来把还未用掉的铀233燃料和废料分离开来。

总结来说，熔盐堆理论上可以一次解决前面提到的三大轻水堆毛病。然而LFTR从来没有被建造过，所以几乎可以确定会有它自己独特的难题（就像张无忌要练乾坤大挪移第七层，既然设计者自己都没练过，就必然会有设想错误之处）。例如核心与周边环路之间必须有隔墙，这个隔墙还必须有中子减速的功能，因此当年Oak Ridge团队计划用石墨来建造。我在讨论核聚变的时候，曾经强调高能中子对墙壁会有很强的破坏作用，这里也是一样的；如何在放射性环境下定期更换石墨墙，绝对不是一件简单的事。当然，熔盐堆的石墨墙比核聚变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，也没有高温等离子体的衝击问题，所以并不是完全不可能解决的。

我想读者看到这里，应该可以理解早先我为什么说中国的熔盐堆未来的发展方向还不能确定。这个技术实在太不成熟，至少还要20年才会达到建造商用原型的地步。它有它的优点，但是也必然会有工程上的重大困难。最终它能否与其他的核反应堆竞争，目前不可能准确预测。我以前曾经估计过，高温气冷堆有商业性成功的机率在10%那一级，熔盐堆大约也在同一级别；这已经值得国家投资了，但是我们不必也不应该过度乐观。