钍基熔盐堆——新一轮核能发展浪潮

1.一个潜在突破

几十年来，核工程师一直在探索反应堆中放射性燃料(最大的零碳电源)新的配方、形式和尺寸。

现在反应堆中的大部分燃料是浓缩铀。而在未来，可能会使用另一种非常有前途的元素——钍。

美国能源部(DOE)爱达荷州国家实验室(INL)和德克萨斯A&M核工程科学中心与清洁核芯钍能源(CCTE)展开合作，制造出了一种新型核燃料，称为“用于丰富生活的先进核能源”(Advanced Nuclear Energy for Enriched Life，简称ANEEL)。

在钍和铀的各种比较中，特别是“高含量低浓缩铀”(HALEU)，ANEEL燃料可以解决困扰核能的几个问题：成本、扩散和废料。

另外，这种在美国生产的燃料，可以出口到世界其他的新兴核能市场。

在过去的几年里，气候科学家们越来越一致地认为，核能对于减轻全球变暖最严重的影响至关重要。

2. CANDU和PHWR

美国各州正在从可再生能源转向技术中立的清洁能源标准，其中就包括核能。

在发展中国家，这种需求显得更加紧迫。因为大多数发展中国家没有安装天然气、风能或太阳能的基础设施。此外，许多地方即使考虑水电站，也没有足够的地形和河流流量进行发电。所以只能考虑煤电或是核电。

如果真的关心环境的话，那最好是核能。

因此，开发新核能技术，特别是先进核燃料，对这一部署至关重要。

ANEEL核燃料可以用于传统的沸水反应堆和压水反应堆，但当应用在重水堆，如坎杜(CANDU)和加压重水反应堆(PHWR)时，优势就更加明显。更重要的是，它可以快速开发和部署。

CCTE计划在2024年将这项技术推向市场。

“今天，世界上的新兴国家及其公民，一直渴望获得推动国家进步和繁荣的电力，他们需要一个充足且不间断的电源，同时最好是清洁的。为实现这个目标，就必须解决多个关键性问题——成本、效率和可持续性。随着时间流逝，面对日益加剧的气候危机，实现这一愿景的紧迫性变得更加重要。” Mehul Shah说，他是CCTE的创始人和CEO。

CANDU堆是20世纪50年代在加拿大开发，最近在印度被称为PHWR(加压重水反应堆)。该反应堆是重水冷却和慢化压水反应堆。

PHWR/CANDU是成熟的中小型反应堆。加拿大的20个堆全部采用CANDU设计。

其他拥有CANDU反应堆的国家包括阿根廷、中国、印度、韩国、巴基斯坦和罗马尼亚。印度有18个基于CANDU设计的PHWR。

全球有近50个CANDU和PHWR反应堆，约占全球总反应堆的10%。

另一方面，有30个国家正在考虑、计划或开始实施核计划，另外还有20个国家表示有兴趣在未来开展核计划，其中大多数在发展中国家。

对于发展中国家来说，当配备合适的燃料时，CANDU/PHWR是一个最佳的反应堆选择。

CANDU/PHWR通常使用天然铀(0.7%U-235)氧化物作为燃料，因此它们需要一种更有效的慢化剂(减慢或减缓中子速度，使其以正确的速度撞击下一个核或裂变的材料)。在这种情况下，这些反应堆使用重水(D2O)(氘是原子核中有一个中子的氢)。

此外，钍具有较高的熔点和较低的工作温度，这使得它本质上比纯铀更安全，更能抵抗堆芯熔化。

与目前在运行的PHWR/CANDU中使用的天然铀燃料相比，ANEEL燃料的燃耗率非常高，约为55000 MWd/T(每吨燃料兆瓦/天)。这在一些方面很重要。

相同的燃料，在反应堆中燃烧的时间越长，消耗的能量也就越高。此外，更多的中子毒物在燃料的过度使用中滋生，包括钚-240，241，242，使乏燃料难以制造成武器。

此外，ANEEL更高的燃料燃耗将减少80%以上的废物，并最终产生更少的钚(Pu)，因为其他钚已经燃烧释放能量。同时，产生的乏燃料具有抗扩散性。乏燃料更少，意味着更少的燃料，更低的成本，更低的燃料处理成本。

此外，PHWR/CANDU反应堆不必停堆换料，可以满功率换料。

印度Kaiga 1号机组的PHWR和加拿大的Darlington 1号机组分别保持连续运行962天和963天的世界纪录。

在运的CANDU/PHWR，如果使用天然铀，每个燃料束重约15 kg。在最初150天的运行之后，直至最终电站退役，平均每天需要更换8个这样的管束。

如果使用ANEEL燃料，每个燃料包重约10.65kg。在最初1400天的运行之后，直至电站退役，平均每天只需要更换一个这样的管束，从而大大减少了废物的产生。

3.钍的有趣之处

像大多数偶数重同位素一样，钍-232不易裂变。但和不可裂变的铀-238通过中子吸附形成钚-239，然后裂变产生能量一样，钍-232也吸收一个中子，然后迅速双β衰变为铀-233，裂变产生能量。

德克萨斯A&M大学核工程教授兼核工程与科学中心主任肖恩·麦克德维特(Sean McDeavitt)博士指出：“我已经研究核燃料应用超过25年。ANEEL燃料概念可以与现有的CANDU/PHWR反应堆技术相结合，利用钍的优越性能和丰度，产生清洁电力，减少对环境的影响。”

德克萨斯州的核科学和工程中心制造出了一批ANEEL，后运到INL，在INL的先进试验堆加速试验台上对燃料芯块(高达70000 MWd/T)进行高燃耗辐照试验。

随后进行辐照后的检查和燃料鉴定显示，所有都符合DOE和NRC的严格指导和质量保证要求。

“我们支持发展先进核燃料。作为国家核能研究与开发中心，INL以其独特的设施、能力和专业知识支持行业需求。” Jess Gehin说道，他是INL的首席科学家。

地球上钍的含量是铀的两倍多，而且可以像铀一样从海水中提取，所以使得核能像风能一样可再生。

印度本身的钍含量比铀还多，特别是在独居石中，这也是他们几十年来一直在反应堆中寻求应用钍的原因。

4. 地缘政治影响

ANEEL燃料的优点符合美国能源部最近发布的《恢复美国核能竞争优势》中的几个要素，该报告称，核能与国家安全有着内在的联系。

每当美国参与另一个国家的核计划时，该国就签署各种有关安全、武器不扩散和核材料(包括核燃料)的协议。其他像承诺国家放弃国内铀浓缩和乏燃料后处理的协议。签署的国际原子能机构附加议定书中规定了更严格的检查制度。

迄今为止，美国已经与48个国家签订了大约23个类似协议，其中包括乌克兰、摩洛哥、埃及和中国台湾。

但美国的核计划在过去的几十年里已经萎缩。与此同时，其他国家的核能发展在加强，特别是俄罗斯和中国，这两个国家都有核能国有企业，对安全和环境问题不太关心，还有韩国这样的国家，它们的工业得到政府的支持，这在美国根本不可能。

因此，拥有一种可以在其他国家的反应堆中使用的美国制造的新燃料，将使美国重新在核供应链中发挥作用。

随着美国目前的双边共识，核能必须作为清洁能源的一部分进行发展。

CCTE使用ANEEL燃料的PHWR/CANDU，可以通过缓解人们对放射性扩散和废物管理的担忧，更快地将核能部署到更多新兴国家。