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一提起核燃料，我们首先想到的是铀，但其实，有一种名字很土，半衰期比宇宙年龄还要长，高达 140.5 亿年的元素 ，它也是铀的超级替补， 这就是钍 。而熔盐堆主要是指 钍基熔盐堆。
钍是什么
在科幻小说中，未来世界是可以直接烧岩石的，从理论上讲，这并没有夸张。因为 独居石 这种石头中就含有大量的钍，而含量高的可达8%。
8% 含量看上去似乎也不是那么高，但我们得知道，当今主流的核反应堆，以压水堆为例，核燃料中参与裂变的铀 235 含量只在 2%～4.4% 之间。
图为独居石，图片来自 Raike
在原子家族中，钍排在第 90 位（原子序数），与排在第 92 位的铀仅相差两位。
但比铀更优越的是，钍的含量要高得多，地球上，钍的蕴藏量是铀的 3 倍到 4 倍 ，而有报道认为，钍就跟铅一样普遍。总部设在美国的钍能源联盟估计，如果美国的用电量不变，则 美国的钍蕴藏量足够供电超过 1000 年。
诺贝尔物理学奖获得者、粒子物理学家卡罗·鲁比亚说：目前中国通过进口铀来满足现有的、待建的核电站的需求，如果用钍，那么中国就根本不需要依赖进口了。
钍的蕴藏量比铀大得多，这是世界公认的。现在的问题是，在反应堆中，钍是怎么产生能量的？它也像铀 235 一样，会裂变吗？
不会。
钍基熔盐堆原理
铀 235 的裂变动图
铀 235 被中子撞击后，裂变并产生中子，从而有连锁反应。但钍不具备铀 235 这样的特性。不过，这不难解决。
古有点石成金术，而今有中子术。
自然界存在的钍是钍 232，当它吸收一个中子后，就变成了钍 233，钍 233 再经过两次 β 衰变后，就摇身变成了铀 233。
而铀 233 就跟我们熟悉的铀 235 一样了，只要有中子撞击，铀 233 就会裂变并产生大量中子，这些中子反过来又去将钍 232 增值，如此就能循环下去了。
还有哪些优势
钍基熔盐堆中，因为高温，钍和其他盐是以一种熔融的形态存在的，反应堆中，熔盐自身既是加载核燃料的载体，且因为是循环流动，所以它同时也是冷却剂。
而像大家熟悉的压水堆，它是通过循环水作为冷却剂，这让反应炉需要常年保持在 150 个大气压左右。
而钍基熔盐堆因为可以不使用水作为冷却剂，因此反应炉内是在常压下进行，安全性更高。
另外，又由于是常压，所以反应堆可以做得很小很小，可以小到常规反应堆的几百分之一，甚至千分之一，这意味着，它可以应用在核潜艇，甚至是科幻中的核轰炸机上。
压水堆中，核燃料芯块是装入一根有几层金属的管子中，构成核燃料棒
而在钍基熔盐堆中，由于核燃料自身就是熔融状态，所以也就无需专门制作固体燃料组件，这 节约了成本。
既然这么多优势，为何没见商用？
实际上，熔盐堆的研究是很早的，上世纪 40 年代末，美国空军为了研制能持续在天上飞行数天的核动力轰炸机，1946 年 5 月 28 日，美国空军启动核动力轰炸机 NEPA 计划，1951 年 5 月，NEPA 计划被 ANP 计划取代，研究方向同样还是核动力飞行，而其动力之源就是熔盐堆。
飞机上的核动力发动机基本原理
冷空气从右下方抽入，通过上图的绿色管道，经过熔盐堆，被强力加热后，从红色管子流向发动机尾部，向后高速喷出，以提供推力。
美国橡树岭国家实验室承担了 ANP 计划中核能发动机的研发任务，他们于 1954 年建成第一个小型熔盐堆实验装置，运行最高温度达到 871℃，美国核物理学家阿尔文·温伯格，他在《第一核纪元》一书中说，这在当时是 人类首次将核反应堆运行到如此赤热的状态。
1954 年建的这个熔盐堆虽然没有使用钍，但它证明了熔盐堆的可行性。1966 年初，另一个设计功率 10 兆瓦的熔盐堆建成并成功运行，这时，钍成为了其中的核燃料，这个钍基熔盐实验堆运行很平稳，除了必要的维护而临时停堆外，它一直运行到了 1969 年 12 月，后因经费问题才彻底停堆。
之后，远程轰炸机的作用逐渐被战略弹道导弹满足，另一个原因是，当时还是冷战期间，而钍基熔盐堆不像重水堆那样，既能发电，还能从中提取核燃料造原子弹。所以，钍基熔盐堆逐渐受到美国冷落。
温伯格参与了美国熔盐堆的研究，他对此当然耿耿于怀。有一次他说：这个国家现在一意孤行的要发展快增殖堆，这让其他堆型的发展变得不可能，特别是熔盐堆，希望联合委员会能改正这个错误。
如今，时代变了，从冷战时期的要大力造核武器，变成了现在的要努力防止核扩散。
因此，钍基熔盐堆正在被越来越多的国家所重视。
中科院经过 7 年多的研究和攻关，已突破熔盐堆各项关键技术，2017 年 11 月 7 日，中国科学院与甘肃省共同签署钍基熔盐堆项目合作框架协议，预计两年后，也就是 2020 年左右，甘肃的钍基熔盐实验堆将有望建成。
出品：科普中国
制作：寒木钓萌
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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