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
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
【这个超过宇宙年龄的核燃料是什么？】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Ra'ike 。
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 。
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