简单科普一下反应堆（四）：熔盐反应堆

随着华龙一号成功并网发电，所谓“第四代反应堆”的消息又开始热了起来。在众多“第四代反应堆候补”中，有一款反应堆以其“高效率”和“燃料取之不尽”而受到很多网民瞩目，这就是所谓的“钍燃料增殖熔盐反应堆”。

那么，这种神秘的反应堆究竟是什么东西呢？为啥迄今为止都没有进入商业运转呢？请让本人做一个简明易懂的科普。

反应堆的发展之路——更高，更稳，更有持续性

打从1942年“芝加哥一号”运转而来，核反应堆一直是现代社会功率密度最高的设备。一台尺寸不过中型锅炉的反应堆，加入若干吨3%的U235核燃料后，就可以以1000MW电功率稳定输出一整年。然而，由于目前商业运转的反应堆通常是水冷反应堆，使用的燃料是U235，其最大工作温度不过400度，而天然铀235也仅占自然界铀储备的0.7%，难以持续稳定的提供。更何况，自从切尔诺贝利和福岛核事故后，公众们一直对既有的核发电技术抱有安全疑虑，各种反对核电站的示威层起彼伏，因此让反应堆变得工作温度更高，热效率更好，燃料来源更加充沛，同时安全系数也要更高，就是几十年来核动力科学家一直以来的追求。

在本人之前文章中已经介绍了压水堆、金属堆和气冷堆。除了我们现在发电常用的压水堆（中国全部反应堆都是压水堆）和沸水堆（美欧日韩多见，而且多为90年代以前生产的旧型号），和早期用于生产核武器的石墨气冷堆以外，其他几种反应堆都不常见。但是这些不常见的反应堆——钠冷快堆、高温气冷堆和今天要讲的熔盐反应堆都有一个共同特点——即远高于压水堆/沸水堆的工作温度。

为什么要不断追求更高的温度呢？很简单。由于现代最具规模效应的发电模式为汽轮机带动发动机进行发电，那么为了让推动汽轮机的蒸汽功率更大，就需要把蒸汽提升到更高的温度，含有更高的内能。但是，根据热力学第二定律，热机的功率传输只可能在高温热库和低温热库间流动，也就是说，蒸汽轮机的工质（蒸汽）温度一定会比加热器低。在传统的燃煤锅炉上，尚且可以通过省煤器和过热器（通常是缠绕在烟道上的蒸汽管道）以利用燃煤的排气温度进一步加热，但在核反应堆上，这个招式就不能用了，唯一的办法就是进一步提升一回路的供热温度。但这样一来，在现有的设计上就会出现一个严重问题：反应堆压力容器材质问题。

根据水的三相图，我们会知道在密封容器中，水的沸点会因为外加压力上升而升高。因此一台压水堆为了引出足够烧开常压二回路的热水，就必须要让一回路达到150个大气压以上，把水温提升到350度以上，因此压水堆的“压”就来自于核心器件压力容器，它必须由高性能热强钢构成，能够在数百摄氏度高温下一次性工作几十年而不损坏，同时还是出现堆芯熔毁事故的最重要保护器件。因此压水堆难度基本上都在一回路的压力容器上。但就算是科学家多么努力，受限于水的物理性质极限，想要进一步提升水温也只有提升压力的一条死胡同，最终只会带来设计和制造压力容器的难度指数上升。

因此，科学家就必须绕开水去寻找更高温的冷却剂。而这也将引出今天的主角——熔盐反应堆。

用熔融的“盐”代替水的反应堆——熔盐反应堆

先回顾一个化学概念：盐。在中学化学中，学生们就会学习到“酸碱盐”的定义。所谓的盐并不是我们日常的“食盐”（氯化钠），而是指金属阳离子和一种阴离子形成的离子化合物，阴离子可以是酸酐、卤素等（但不能是OH根，否则就是碱）。因此，熔盐反应堆，指的就是将反应堆的冷却剂替换为某种“盐”，将其加热熔化成为“熔盐”，再将其引出到二回路加热水驱动汽轮机。

在具体实践中，熔盐反应堆有两个分支。第一分支是核材料熔融于熔盐中，熔盐既是冷却剂又是燃料；第二分支是传统的固体核燃料配合用于冷却的熔盐，此时熔盐扮演的角色类似于金属冷却反应堆的液态金属，仅起到提升一回路工作温度效果。在目前实践中，主要的发展方向都是上图所示的熔融核燃料熔盐反应堆。不过，由于目前常用的核材料铀235是慢中子燃料，所以反应堆还需要一种减速剂来将核裂变产生的快中子减速到慢中子级别，而一般的熔盐通常不具备中子减速能力，因此通常熔盐反应堆要搭配石墨使用——石墨是良好的中子减速剂，同时耐高温。

熔盐反应堆的启动——美国航空反应堆计划

熔盐反应堆最早可以追溯到1946年的美国“核动力飞机”的研究计划。在美军成功用核弹核爆了广岛长崎后，美国陆军航空兵（1948独立为美国空军）立即提出要设计核动力轰炸机，以随时随地飞往世界任何一个角落，比起苏联的核动力飞机计划早了快10年时间。由于要考虑到飞机螺旋桨的驱动功率（那时候涡喷发动机才刚刚起步）和飞机的承载力，当时既有的气冷石墨堆和水冷堆都体积太大，不能上飞机。因此美国核动力研究机构通过理论分析，最终选择了一个崭新的核反应堆堆芯和冷却系统——就是今日的熔盐核燃料反应堆的前身。

以该计划中被认为较有竞争力的“火球”反应堆为例，该反应堆采用氟化钠-氟化锆为冷却剂，熔融的四氟化铀（6%U235）为核燃料，石墨为减速剂。该反应堆热功率高达60MW（接近第一代美国核潜艇反应堆），但由于熔盐反应堆无需高压，因此整个容器直径只有1.4米。在启动后，熔盐缓缓地在反应堆内循环，将反应堆加热到1150K的高温，然后熔盐流出反应堆，移动到飞机喷气发动机的燃烧室将空气加热膨胀，推动飞机飞行。该反应堆的设计寿命为1500小时，飞机起飞后，可以维持500小时的最大功率，足够飞机从美国直飞世界任何一个角落。

在这个计划中，美国除了熔盐循环反应堆，还实验过高温氦冷堆和其他设计，不过最终进入测试的是熔盐核燃料+氦冷的反应堆“飞机实验反应堆”（Aircraft Reactor Experiment）.

ARE反应堆同样是采用氟化钠·氟化锆冷却剂，6%四氟化铀作为燃料，氧化铍为慢化剂，以氦气为二回路工质。在测试中，该反应堆跑到了人类历史上核反应堆最高的860摄氏度温度的高温，验证了熔盐反应堆的高温性能。在实验堆实现了预定技术指标后，该反应堆在1955年报废拆解，一共用掉了14千克的浓缩铀235——比中国第一枚原子弹用的还要多！

在此之后，美国决定研发航空反应堆的示范堆，功率被进一步提升到60MW，但是由于整个计划1961年下马，该项目转为美国熔盐反应堆研究项目（MSRE）。而这个反应堆也不简单——它开创了“熔融钍燃料反应堆”的先河。

那么，先让我们了解一下什么是“钍燃料”吧。

钍：一种潜在的增殖材料

说道“钍”，大部分人都会感到很陌生。这种金属的名字来自于北欧神话“提尔”大神，原子序号90，为锕系元素。这种金属在被发现具有放射性前，一直以来缺乏应用对象。不过，在大部分老一辈人的记忆里（也包括一部分我这样的90后），都依稀记得在那个手持电灯并不普及的时代，夜间小摊贩挂起的明亮的汽灯灯光。

汽灯共有三个主要结构：煤油壶和打气筒，喷嘴和白炽灯罩。在加入煤油，并打入空气后，拧开阀门便有雾化的煤油喷射出来，被点燃后，它就会均匀烧灼白色的灯罩，而灯罩采用的材料——正是含有硝酸钍的棉纱。在高温下，硝酸钍会受热分解，生成二氧化钍，而二氧化钍熔点高达3200度以上，在高温的雾化煤油火焰炙烤下，它会发出灼热的白炽灯光。而这个用途，便是钍成为在潜在的核工业原料前寥寥无几几个工业应用之一。由于应用过少，国内大部分钍都被当做稀土生产的废料随着矿渣丢弃。

钍真正的价值在核嬗变理论和链式反应理论发现后才得以重视起来。

1946年，美国人宣布，除了铀235和钚239，铀233也是一种可裂变物质。但是，与铀235和钚239不同，铀233基本上不能在自然界发现，因此人们便开始寻找用什么手段去生产铀233.不久，人们发现，在钍232受到中子辐照后，部分钍232会吸收一个中子，形成钍233，钍233仅有22分钟半衰期，就会发生一次贝塔衰变，释放一个电子，成为镤233，然后再经过27天半衰期，再经过一次贝塔衰变，就成为了铀233.

在这个过程发现后，钍一度身价倍增，成为了美国，日本和印度企图大量增产核裂变材料国家的座上宾。在1955年，美国甚至还引爆了铀233的核弹头，其效率接近钚239核弹头，只需要4-5千克即可引爆，似乎让其更进一步工业和军用价值显现出来。

受此鼓舞，美国在上世纪50-60年代绝大多数核反应堆中都摆放了足够的钍232，以为只要摆放足够的钍，就能够在日常使用反应堆时源源不断生产铀233，从而制造更多的核武器。但是很快，美国人就开始发现这个途径遇上了极大的阻力：铀233的分离纯化。

原来,在钍受到中子辐射形成钍233时，并不是全部都会通过两次贝塔衰变形成铀233，而是有一部分会在形成镤233时，会再放出一个中子，衰变为镤232，再释放一个电子，形成铀232.由于铀232原子量和铀233极为接近，因此难以通过气体扩散和离心机分离，会残存于铀233成品中。而残存下来的铀232，就会发生下图的衰变：

在衰变链末端，会有约35,94%的铋212生成铊208，而铊208是一种强力伽马射线源，可以放出强度2.6MEV的伽马射线。2.6MEV伽马射线有多强呢？我们日常更为熟悉的钴60的伽马射线只有1.33MEV，在1992年山西太原钴60辐射事件中，一个工人误捡了一枚废弃的钴60放射源（已超过2倍半衰期，但仍有强烈辐射），结果导致了他本人和多个近亲属死亡的悲剧，而最终该放射源被工人倒到太原一处公园的垃圾堆中，专家用探测仪才得以将其找出。那么，单位辐射能是钴60两倍的铊208，威力对于人体可见一斑。这样一来，将辐照后的钍燃料取出反应堆，并送入再加工车间分离并纯化铀233，就变得十分危险。而且在用于核弹头的情况下，由于铀232不断衰变为铊208，会一直对核导弹的关键元器件持续辐射伽马射线，大大降低核弹的使用寿命和可靠性。

因此，必须要找到一种合理的手段，能够让被辐照的钍燃料无需抽出反应堆纯化，就可直接利用里面的铀233裂变输出功率，这样一来就势必降低整体的辐射危险。而这个时候，美国科技人员想到了熔盐反应堆。因此在1960年代，美国为MSRE反应堆添加了U233，从此该反应堆变成了“铀钍熔盐增殖反应堆”。

MRSE计划——熔盐反应堆和钍燃料的高潮

MSRE反应堆结合了之前的“飞行反应堆”研究成果，采用独特的“双熔盐回路”设计。该反应堆一回路为氟化锂-氟化铍-氟化锆-四氟化铀（33%U235和少量U233），二回路为氟化锂-氟化铍，以石墨作为反应堆慢化剂。在运转时，一回路的熔盐在石墨框架内以650度温度进行对流，然后将温度转换到二回路的熔盐中，二回路熔盐再去加热三回路的气冷设备。

熔盐反应堆运转时仍然有不少难度。首先，核裂变会产生和裂变产物，而一部分核裂变产物会阻碍接下来的反应，即所谓的“中子毒物”，代表性的是氙135.在切尔诺贝利事故中，正是因为氙135累积导致了反应堆不正常的低功率，导致操作人员为了强行提升功率拔出所有的控制棒，在拔出所有的控制棒后氙135衰变完毕，反应堆顿时爆发出10倍的设计功率而大爆炸。因此在熔盐反应堆中，也必须设计特殊的装置让氙135及时以气体形式溢出，避免毒化反应堆。

第二，熔盐反应堆在高温，高氟离子环境工作，该环境对于不锈钢合金反应堆外壳具有显著的电化学腐蚀效果，加上长期高温运转，钢材结构强度也会受到影响。因此在使用中，必须要让反应堆的外壳尽可能降低腐蚀速度。

第三，由于一回路循环的熔盐本身也是核燃料，这意味着整个一回路循环系统都会释放强烈的裂变辐射，因此整个一回路循环系统必须包裹在安全壳之内。

第四，也是最关键的：裂变产物除了中子毒物氙以外，还有一种非常重要的元素——碲。碲在高温的情况下，会和反应堆结构——主要是不锈钢产生化合反应，从而使得金属表面出现裂纹。虽然美国认为加入铌会降低碲的侵蚀性，但是实际上在长达30年的高强度使用中，在氟化物、电化学腐蚀和碲脆化腐蚀下，没有什么金属能确保安全无虞。而一旦出现反应堆外壳或管道开裂，温度高达500-600度的高温高辐射熔盐会迅速如同火山岩浆一般烧掉整个厂房，并产生大规模的核污染。

因此由于技术问题无法解决，MSRE反应堆最终在1969年，运转仅5年后就关停了。

在反应堆关停后，美国人一直未拆除反应堆，只是把温度维持在150度以避免辐射产物从熔盐中析出。但是在1990年代，美国人却发现，在反应堆关停后，实际上反应堆的裂变燃料仍然能够达到核临界水平，差一点引发临界事故。同时，由于熔盐大多数为氟化物，在几十年储存后，整个装置内部已经布满了剧毒的氟气，厂房中也累积了不少氟气，极易伤害工人。在2003年，美国决定立即投资1.3亿美金尽快卸载所有的铀，避免发生临界事故，并在2009年完成，但容器内迄今仍然储存着大量熔盐和放射性裂变产物。迄今为止，该反应堆退役51年来仍然无法得到彻底处置。这说明，熔盐反应堆在当年，以及在现在，退役都是一个较大的难题。

结语——发展科技要考虑整体社会生产力的承载力

马上就要2021年了，距离苏联解体已经快30年。在明天（2020年12月17日），44年来第一次从月球开采样本的“嫦娥五号”飞船就要返回地球了，回首五十年前那个激情燃烧的冷战岁月，载人登月，铅冷快堆，熔盐反应堆，钍燃料，核动力舰队，钛合金核潜艇，一切看起来都像是未来的科技，直至今日，有很多50年前的科技成就仍然难以复现。但是，当我们静下心思考这段历史时，我们并不能轻易地下结论“现代人科技倒退”了，而是当时的高科技成果已经超过了当时的科技承载力。无论是阿波罗登月，还是苏联的钛合金潜艇，还是今天提到的熔盐反应堆，无一例外都是在技术尚不“白菜化”的时代中，靠着不惜代价的疯狂投资，和潜在的巨大风险兴建的工程。而一旦这些工程失去投资，就无法在当时的社会环境落地生根，靠自己的商业价值实现可持续发展；而且，如果这些技术在当年尚不可靠时，就开始量产铺开，很难想象会不会又成为又一批的灾难之源（苏联705级核潜艇就是例证）。因此，当我们以冷静客观的态度看待科技发展时，我们就会明白：一款好的能够推广的科技，不是它看起来如何炫酷，而是它可以安全，便捷地走入寻常百姓的生活。