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如果中国的实验反应堆取得成功，它可能会推动商业化，并帮助中国实现其气候目标。
原文作者 | Smriti Mallapaty
中国即将启动一种以钍为燃料的核反应实验堆，这让全球科研人员兴奋不已。尽管这种放射性元素以前也在反应堆中试验过，但专家表示，中国是第一个尝试将这项技术商业化的国家。
这个反应堆的不同之处在于，它内部循环的是熔盐而不是水。它有潜力产出相对安全和廉价的核能，其产生的长寿命放射性废料也比常规反应堆要少很多。
中国有50多座图中这样的常规核电站，但在甘肃省武威建成的实验堆是第一座钍实验堆。来源：Costfoto/Barcroft Media/Getty
据甘肃省政府称，位于戈壁沙漠近郊的武威实验性钍反应堆于8月底前完成建设，并计划于本月投入试运行。
钍是一种放射性较弱的银色金属，天然存在于岩石中，目前几乎没有任何工业用途。研究人员称，钍在中国蓬勃发展的稀土开采业中是一种废料，因此，钍是进口铀的一种理想替代品。
潜力无限
“钍的储量比铀丰富很多，因此在50或100年后，当铀的储量开始减少时，钍将成为一项非常有用的技术，”澳大利亚核科学和技术组织的核工程师Lyndon Edwards说，“但这项技术需要几十年的时间才能实现，所以我们现在就要开始。”
与中国科研团队密切合作的日本国际钍基熔盐论坛前主席吉冈律夫（Ritsuo Yoshioka）表示，中国2011年就启动了熔盐反应堆计划，投资约30亿元人民币（5亿美元）。
武威反应堆由上海应用物理研究所负责运行，其设计只能产生2兆瓦的热能，仅够满足1000户家庭的供电需求。如果这次的试验成功，中国希望在2030年前建造一个373兆瓦的反应堆，可为数十万户家庭供电。
中国国家发改委能源研究所能源模型专家姜克隽表示，这些反应堆是帮助中国在2050年左右实现零碳排放目标的“最佳技术”之一。
自然界存在的同位素钍-232不会自发裂变，但在反应堆中受到辐照时，钍-232会吸收中子形成铀-233，而铀-233是一种会产生热量的裂变材料。
美国、德国和英国等国家已经在其他类型的核反应堆中用钍作为燃料进行了测试，印度的核计划也打算测试钍。但迄今为止，钍尚未被证明具有成本效益，因为它的提炼成本比铀高，而且与自然界存在的一些铀的同位素不同，钍需要先转换为裂变材料。
一些研究人员支持将钍作为燃料，因为他们认为与铀相比，钍的废料被武器化的可能性更小，但有人认为风险仍然存在。
来源：美国能源部/国际原子能机构
从美国到中国
如果中国启动这个实验堆，这不仅将是自1969年美国橡树岭国家实验室研究人员关闭其反应堆以来运行的首个熔盐反应堆，也是第一个以钍为燃料的熔盐反应堆。与上海应用物理研究所合作的研究人员表示，中国的反应堆复刻了橡树岭的设计，同时又在过去几十年的制造、材料和仪器创新成果上改进了原有设计。
直接参与反应堆工作的中国研究人员并未就反应堆设计和试验的确切开始时间作出回应。
麻省理工学院的核工程师Charles Forsberg说，与常规核电站中的轻水反应堆相比，熔盐反应堆的运行温度要高得多，意味着它们的发电效率更高。
中国的反应堆将使用氟化盐，当加热到大约450摄氏度时，氟化盐会熔化成无色透明液体。氟化盐可充当冷却剂，从反应堆堆芯输出热量。此外，熔盐反应堆也不使用固体燃料棒，而是使用液态盐作为钍等燃料的基质，使其能直接融在堆芯中。
熔盐反应堆被认为较为安全，因为燃料已经融在了液体中，它们的工作压力比常规核反应堆更低，降低了爆炸性熔毁的风险。
吉冈律夫说，许多国家都在研究熔盐反应堆——用铀产生更廉价的电，或使用轻水反应堆的废钚作为燃料——但只有中国在尝试使用钍燃料。
印度孟买巴巴原子研究中心的钍丸。来源：Pallava Bagla/Corbis/Getty
下一个反应堆
Forsberg认为，中国的反应堆将成为“一个开展大量研究的试验平台”，从分析腐蚀到表征混合物循环时放射性核素的组成等等。
“我们将获得很多新的科学认知，”英国班戈大学核材料科学家Simon Middleburgh表示赞同，“如果他们愿意让我参与，我会马上坐飞机飞过去。”
中国的反应堆可能需要几个月的时间才能全面运转。Middleburgh说：“如果这个过程中出现了任何问题，就必须停下来重新开始。”例如，熔盐泵可能会出故障，管道可能会腐蚀或堵塞。尽管如此，科学家还是对成功抱有希望。
熔盐反应堆只是中国投资的众多先进核技术之一。2002年，一个政府间论坛确定了将在2030年前快速推进的6种很有前景的反应堆技术，包括用铅或钠液体冷却的堆型。中国为每种技术路线都制定了计划。
香港的Lantau Group能源咨询公司的项目经理余德伟（David Fishman）表示，其中几种堆型有望取代燃煤电厂。“在向碳中和迈进的过程中，中国可能会淘汰（发电厂）锅炉，并用核反应堆进行改造升级。”
本文经授权转载自微信公众号“Nature Portfoli”。原文以China prepares to test thorium-fuelled nuclear reactor为标题发表在2021年9月9日的《自然》的新闻版块上，链接：https://www.nature.com/articles/d41586-021-02459-w?utm_source=Wechat&utm_medium=socials&utm_campaign=d41586-021-02459-w。
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