核聚變太難實現，或許它才是正確答案_風聞

前段時間有則新聞，江南造船廠推出了一艘24000TEU級的核動力集裝箱船設計方案，這艘船船長400米，寬61.5米，滿載排水量近24萬噸，更重要的是，它的核動力來源於第四代核反應堆釷基熔鹽堆。

 

好傢伙，連大夥兒都盼着的福建艦都沒享受的核動力，這艘集裝箱船就給上了？

江南造船廠是我國最牛逼的軍工造船企業，什麼中華神盾導彈驅逐艦，雪龍號極地破冰船都是他們造的，所以這事兒大概率是靠譜的。

但我還是有些疑惑：這個第四代反應堆就能用了嗎？

2021年中科院在甘肅武威建了一個釷基熔鹽堆，在當時還只是試運行，性質也只是實驗而非商業運行。到今年6月份，這個堆拿到了國家核安全局頒發的運行許可證，不久後就能併網發電了。

這邊剛拿到許可，那邊就準備上艦了。這速度快得超出了我的認知。不過我能理解為什麼這麼急迫的應用，因為熔鹽反應堆真的是好東西，有人甚至稱它為“核裂變到核聚變的過渡燃料”。

我列幾個它的優勢，大家感受一下：

一，它比現有的核反應堆安全，不會發生像福島那樣的堆芯熔化，因此不會燒穿地表污染地下水，同時也不會產生大量放射性的核污水。

二，它的核廢料是現有反應堆的千分之一。

三，它不挑位置，不需要像現有核反應堆那樣，必須建在有充足水源的地方，可以建在甘肅武威這樣的內陸區域，甚至還可以建在地下。

安全性屬於是直接拉滿。當然，它也有相應的技術難點，否則人們幹嘛不早點研究這個呢對吧，這個放在後面説。這裏我們要強調的是，熔鹽堆可以説是非常適配我國的能源格局的，如果在將來能夠大範圍商業化運行，那可以説是搬開了我國發展道路上的一塊大石頭。

為什麼這麼説呢？

看一下我國的能源結構就知道了。化石能源是現代工業國家發展的基石，我國的化石能源初始天賦是“富煤、貧油、少氣”。

煤炭、石油、天然氣的剩餘探明儲量分別為 1623億噸、36 億噸、6萬億立方米，按 2019年的消費量計算，分別可供我國使用 40年、6年與 20年。自給能力方面，以 2019年消費量計算，煤炭、石油、天然氣的對外依存度分別為 7.31%、77.34%與 42.69%，可見，我國的石油和天然氣是非常依賴進口的。

社會生產的“血液”掌握在他國手中，這其中的風險看看第四次中東戰爭引發的危機就知道了。

雖然我們有煤保底，但燒煤造成的環境成本也難以承受，所以必須要發展水、核、風、光四大類新能源。其中水電依賴環境，風電極不穩定，光伏是很有前景的新能源，我國在大力發展，但容易受天氣影響。相比之下，核能就穩定多了，這點對我們日常生活的影響可能並沒有那麼大，但穩定的電力對工業生產可太重要了。

另一方面，我國的能源資源分佈非常不均勻。煤炭資源主要在華北、西北，水力資源主要分佈在西南，石油、天然氣資源則分佈零散。而我國的主要能源消費又集中在東邊，所以西電東送、北煤南運之類的很多。這種能源轉移又進一步地增加了成本，所以要是有不挑位置，不挑環境，不靠化石能源的發電廠就好了。誒，這就是咱們今天要講的重點——熔鹽堆。

01

先讓大家對核能有個概念。

現在的核電站，從本質上來説跟火電廠是一個意思，通過燒鍋爐來發電。只是火電廠燒煤，燒油，或者燒垃圾，而核電站燒的是核燃料。

所謂核燃料，一般是鈾235和鈈239，它們一般為固體，做成棍子插進反應堆裏，所以也叫鈾棒。核燃料的能量密度極高，10g增殖堆燃料釋放的能量相當於22噸煤炭，16.5方石油，16706立方米天然氣。

所以一座百萬千瓦級的核電站，一年只需要30噸的核燃料，也就是一卡車的量，而同等級的火電站得燒300萬噸煤。

這十萬倍的差別根源在於，化石燃料的燃燒是氧化反應，本質上源於電磁力。而核燃料的燃燒是核裂變反應，本質上是源於原子核內部的強相互作用力。在質子直徑相當的尺度下，強力大約是電磁力的300倍。

核能也被很多科幻作家視為人類文明發展的關鍵。在科幻小説的神，美國俄裔作家阿西莫夫在他的銀河帝國基地系列中，以銀河系邊緣一個貧瘠星球為base，人口稀少的基地，卻能戰勝周圍星球上的大文明，最大原因就是基地掌握了核能。

不過不像小説中人類已經能將核能運用在生活生產的各個角落，我們對核能的開發還處於比較初級的階段。自從1954年，世界上第一座核電站，奧布靈斯克核電站在蘇聯建成以來，功率從5兆瓦發展到了7965兆瓦，日本的柏崎核電站，核反應堆已經經歷了4代更迭，但目前世界上核能佔比依舊徘徊在低位，當前全球核電發展僅佔總發電量的10%，而我國的核電佔比就更低了，僅有4.7%。

最大的原因就是安全因素。

在經歷了切爾諾貝利、福島等核事故後，人們對於核的態度戰戰兢兢，小心翼翼。如今世界上大多數的核能項目，都開始於上世紀70年代，世界核項目的數量也已經停滯了幾十年。

有一部名為《中國綜合症》的美國電影裏有一句台詞，説核反應堆的堆芯熔化，直接燒穿地球，燒到地球餓的另一面——中國。

這事兒肯定是過於離譜了啊，但大家想必也能看出，在上個世紀，對於核的恐懼情緒渲染的多麼厲害。今年，隨着日本開始向海裏排核污水，反核的浪潮也是一輪又一輪。

我做一個不太準確的類比，核能就像坐飛機一樣，效率很高且出事故的幾率很低，可一旦出事，對飛機上的人來説代價就是巨大的。

可對於核能這樣一種潛力巨大的能源，我覺得我們的態度不應該是丟掉，而是努力讓它變得更加安全。安全，正是核反應堆發展過程中最重要的標準。而熔鹽堆，正是將在科技樹上將安全點滿的一種技術。

02

為什麼説熔鹽堆安全呢？

要知道什麼是安全，我們先來看看不安全是什麼樣的：切爾諾貝利以及福島核電站的技術流派——沸水堆。

任何技術流派的核反應堆的結構都可以大致分為三部分：反應堆、冷卻系統和發電系統。

反應堆包括了燃料棒、慢化劑和控制棒。

燃料棒就是做成的鈾棒。我們所説的核裂變反應是一種鏈式反應：中子轟擊鈾-235，後者分裂成另外兩個元素並釋放200MeV左右的能量，以及2-3箇中子。這些中子會繼續去轟擊其他鈾-235，引發更多的裂變。

控制棒的作用控制鏈式反應的速率，就像調音量的開關一樣。那怎麼控制呢？很容易就能想到，既然鏈式反應的關鍵在中子，那麼控制棒只要能夠控制中子數和中子密度，就能控制裂變反應的速率。

而慢化劑是為了保證裂變反應能夠進行。這個説起來就略微複雜一些。其實中子轟擊鈾235是不一定會發生核裂變反應的。根據中子能量我們將其分為三類：能量高的為快中子，能量低的為熱中子，而居中為中能中子。三者中熱中子能誘發核裂變，而慢化劑就是將高能量的中子變為熱中子。

在沸水堆中，燃料棒是鈾棒，慢化劑是水，控制棒一般為硼、碳化硼、鎘等材料。

一個正常的運行過程是這樣的：冷凝水從反應堆下方進入，被反應堆加熱後，以氣水混合物的形態從反應堆出，然後進入渦輪機進行發電，最後重新凝結為液體水完成一個循環。

那麼，這個系統，或者説過程中不安全的因素在哪裏呢？

可以説，到處都藏着風險。

比如。福島。首先是海嘯讓整個核電站斷電，斷電後反應堆內的冷卻水得不到補充。雖然控制棒自動插入，但反應堆停止反應後同樣是有功率的（燃料衰變發出的熱量），因此很快使冷卻水沸騰，氣化，堆內充滿高温高壓的水蒸氣，迴路中開始出現裂縫，大量帶有放射性的水蒸氣泄漏，而堆芯也因無冷卻水傳導熱量，導致堆芯熔化，將反應堆底部外殼燒穿。

再比如，切爾諾貝利。當時工程師們想測試，如果遇到極端情況導致核電站斷電，能不能利用控制棒插入後餘熱發的電，來驅動冷卻水正常供應。在測試過程中，因為人為因素導致過多的控制棒被拔出，僅保留6根，反應堆失控功率飆升，冷卻水供應不足，堆內產生大量高温高壓水蒸氣，同時這些水蒸氣與燃料包殼的材料金屬鋯發生反應生成大量氫氣，發生蒸氣爆炸，頂部直接被炸穿。爆炸導致反應堆冷卻水更少，隨後又發生了二次爆炸（目前存在兩種假説：化學爆炸和熱核爆炸假説）。

而世界上目前主流的第二代第三代核反應堆——壓水堆的代表美國三里島核電站，也曾因為種種原因導致冷卻水不足而導致堆芯熔化。

大家可以看到，這些事故中最核心的問題在於冷卻水不足。只要冷卻水能供應上，就不會產生大量高温高壓蒸汽，後續的泄漏或爆炸也不會發生。

核電站每出現一次事故，都有以前沒出現過的因素，機械原因、人為因素啊等都有，可以説是防不勝防，某個環節的出錯最終導向的都是冷卻水不足，然後就出事故。

為了安全從裏到外整了那麼多安全措施，到頭來還是防不勝防。於是科學家們就想了，雖然水好水多水便宜，但它不安全啊。咱需要一個天生就安全的冷卻劑。

熔鹽：正是在下。

03

熔鹽是什麼？

這裏的鹽不是我們吃的那個，而是泛指一類金屬離子或銨根離子與酸根離子結合的化合物，什麼碳酸鈣鋇硫酸鋇，都是鹽。鹽在常温下一般都是固態，在高温下會熔化形成熔融體，就是熔鹽。

為什麼説熔鹽安全呢？

大家回想一下，前面的用水冷的反應堆出事故，核心原因都是冷卻水不足後氣化成高温高壓水蒸氣。

而熔鹽在反應堆裏幾乎不會氣化。這是因為，熔鹽本身具有高沸點、低蒸汽壓。熔鹽堆常用的氟鹽，熔點550℃，沸點1400℃。在常壓的情況下，工作温度可高達700℃。

事實上，熔鹽堆裏的氣壓甚至跟我們日常沒啥區別，就一個大氣壓。

並且，即使因為某些原因導致管道破裂。液態的熔鹽流出來。這些熔鹽很快就冷卻了，不會像水蒸氣那樣污染大氣。

在這點與可控核聚變其實有相似之處，因為核聚變同樣是在裝置出現故障後不會發生爆炸，而是會在暴露後迅速冷卻。

此外，大家還記得開頭曾提到，熔鹽堆不會發生堆芯熔化麼？這是因為熔鹽堆的核燃料是液體，跟熔鹽混合在一起，不會像固體燃料那樣集中在一個區域反應。

一個正常運行的釷基熔鹽堆是這樣的：核燃料與冷卻劑熔鹽混在一起，在反應堆這個迴路中持續發生裂變反應。高温熔鹽通過熱交換器將熱量傳導出去，這些熱量再加熱發電系統中的水，形成發電。

熔鹽堆用的核燃料跟一般的水堆不同，它沒有用鈾235，而是用了釷232和鈾233的混合燃料。

這是因為，釷232這個東西其實是不容易直接發生裂變的，但它能夠吸收熱中子變成釷233，經歷兩次β-衰變，變成鈾233，後者是一種易裂變物。

你可能會奇怪，有鈾不用，幹嘛非要加一個不容易裂變的釷呢？

其實從輻射危害來講，其實釷的放射性不比鈾小。

最大的原因是能用的鈾235實在太少了啊。

鈾是一種極為稀有的放射性金屬元素，在地殼中的平均含量僅為百萬分之二，以1600萬噸的鈾235儲量和180噸每年每百萬千瓦來計算，目前的鈾礦可供現在的核電用440年。但這是按現在的規模，如果以國際上估計，未來30年核電的規模將發展到現在的7倍，那麼鈾235就將在40年內耗盡。

相比之下，釷，這種自然界能量密度最高的元素之一，每單位重量的釷元素產生的能量是鈾元素的250倍，釷的儲量也很豐富，在地殼中的含量大約為鈾的三倍，可以説是很好的替代核燃料了。

帶有核裂變的放射性，卻也不會發生核泄漏，有着比擬核聚變的安全，或許這就是“核裂變到核聚變的過渡燃料”的真正含義吧。

04

一切看着都很美好啊，又安全，而且儲量豐富能用很久。

但有些事實我也必須告知大家，畢竟這個技術並不是今天突然出現的，而是上個世紀的遺孤。

在核反應堆剛起步的50年代，科學家們就已經開始對釷進行研究了。到了70年代，美國橡樹嶺國家實驗室，以及我國的“728工程”都對釷基熔鹽堆進行了一定程度的研究。但後來美國和我國都不約而同地轉向了用鈾的壓水堆。

這些轉變必然意味着釷基熔鹽堆的研究有相當的難度。

首先，我們之前提到，釷232轉化為鈾233是需要經歷兩次β-衰變，在這一過程的中間產物Pa233（鏷）的半衰期約為27天，這意味着它衰變到最終的鈾233需要大約1年的時間，這對反應堆來説時間較長。

其次，在釷233轉化為鈾233的過程中，可能會生成副產物鈾232。這玩意兒會釋放伽馬射線，使得反應堆的放射性變強。

再次，這是一個工程上的技術難點。熔鹽堆的工作温度在700℃左右，高温下熔鹽的腐蝕性非常強，這對管道材料的耐蝕性要求相當高。之前美國搞的時候用了一種Hastelloy N合金。這種合金的耐蝕和高温強度比一般的鐵基合金都更好。但後來因為轉向了壓水堆，美國也用不上這個合金了。

據中科院上海物理所的估計，引入納米技術後這個材料的性能可能會更進一步。

這是中科院在2010年做的發展預測，可以看到目前位於甘肅武威的熔鹽堆已經裝料，開始帶核運行了，在知網上就能查到多篇中科院所做的相關論文。

這當然只是冰山一角。在一篇篇的論文中，中科院的研究者們從燃料循環到熔鹽材料、結構材料對釷基熔鹽堆進行了大量研究，在他們的努力下，甘肅的熔鹽堆才得以成功。

不過目前該堆的功率為2MW，還沒有達到當初的預期。而江南造船廠上的熔鹽堆，雖然以當前能達到的功率來説，似乎只是作為輔助動力。但這艘船的設計中就取消了傳統煙囱機艙棚，實現淨零排放。換句話説，在設計中是把核動力作為主動力的，這意味着，也許有我們不知道的技術突破。而且，由於熔鹽堆的臨界質量（燃料發生自持鏈式反應的最小質量）比壓水堆小很多，所以它本身就更適合小型化，將來也必然會向船艦這個方向發展。

目前，核能大國法國的CNRS（國家科學研究中心）在15年完成了釷基熔鹽堆的理論研究後，商業公司Naarea計劃在該研究中心的幫助下於2030年推出第一台15MW的原型堆，印度BARC（巴巴原子能研究中心）正在維沙卡帕特南進行着一個5MW的熔鹽堆項目，不過該項目屬保密性質，網絡上沒有最新進展；俄羅斯的NIKIT研究所在今年也完成了循環熔鹽燃料研究反應堆的設計草案，計劃於2024年完成裝置，2031年開始運行。

之前看一些自媒體説中國在熔鹽堆的技術上遙遙領先，結果查了一下目前世界各國的進展：法國搞了理論計算，俄國搞了設計草案，印度神神秘秘沒法判斷。甘肅的熔鹽堆還真是世界上唯一一個運行起來的熔鹽堆。

雖然目前這個堆還面臨着相當多的技術難點，但它是真正能解決核電切膚之痛的技術，也是配得上“從核裂變到核聚變的過渡燃料”這一名號的。相比於相比於核聚變那個似乎永遠縮短不了的50年，這個過渡燃料的希望可大多了。