摘要：十年前，在釷基熔鹽堆還不被國家高層重視的起步階段，我是積極推動(dòng)者，為釷基熔鹽堆總結(jié)了“固有安全性、資源‘無限’性、選址靈活性、廢物短壽性、軍事無關(guān)性、用途多樣性、壽期經(jīng)濟(jì)性”等七大優(yōu)點(diǎn)，客觀上推動(dòng)了釷基熔鹽堆事業(yè)的進(jìn)展。最近，介紹釷基熔鹽堆的小視頻愈來愈多，吹得愈來愈玄乎，以至于很多政府官員或外行專業(yè)人士過于樂觀。我不得不趕緊出來再講講困難、潑潑冷水。最后面三個(gè)附錄是對(duì)熱心的非核能專業(yè)人士提出的問題的解答。
目錄
一、國內(nèi)技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀：從無到有，領(lǐng)跑全球…………………………………………………………1
二、核心技術(shù)難題：從實(shí)驗(yàn)到商用的三道“攔路虎”…………………………………………………2
（一）中子增殖效率低：中間產(chǎn)物無效吸收引發(fā)的自持難題………………………………………… 2
（二）結(jié)構(gòu)材料三重考驗(yàn)：高溫、腐蝕與輻照的極限挑戰(zhàn)……………………………………………4
（三）在線同步后處理：高溫放射性環(huán)境的“精細(xì)操作”難題 ………………………………………5
三、展望：攻堅(jiān)破難，開啟釷基能源新時(shí)代……………………………………………………………5
附錄1、目前市場上有哪些成熟的中子源技術(shù)……………………………………………………………6
附錄2、陶瓷能否替代石墨做中子慢化劑？………………………………………………………………7
附錄3、熔鹽棒狀堆的可行性………………………………………………………………………………8
作為第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的核心代表，釷基熔鹽堆以其釷資源利用率高、安全性好、核廢料少等突出優(yōu)勢(shì)，成為破解我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與核燃料供給困境的重要方向。近年來，我國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從跟跑到領(lǐng)跑的跨越，建成全球唯一運(yùn)行的釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆并完成關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，但從實(shí)驗(yàn)堆到商業(yè)化應(yīng)用，仍需攻克一系列技術(shù)難關(guān)。
一、國內(nèi)技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀：從無到有，領(lǐng)跑全球
我國釷基熔鹽堆研發(fā)始于21世紀(jì)初，2011年中國科學(xué)院啟動(dòng)“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，集聚近百家科研機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)組建協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，開啟了體系化攻關(guān)之路。經(jīng)過十余年努力，我國在該領(lǐng)域取得了一系列里程碑式成果：2023年10月，位于甘肅民勤的2兆瓦液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆首次實(shí)現(xiàn)臨界反應(yīng)；2024年6月達(dá)成滿功率運(yùn)行（只發(fā)熱、不發(fā)電），堆出口溫度達(dá)650℃；2024年10月完成世界首次熔鹽堆加釷實(shí)驗(yàn)；2025年11月宣布實(shí)現(xiàn)釷鈾核燃料轉(zhuǎn)換，首次獲取釷入堆運(yùn)行后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步證明了熔鹽堆利用釷資源的技術(shù)可行性。
目前，該實(shí)驗(yàn)堆已成為全球唯一運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)釷燃料入堆的熔鹽堆，關(guān)鍵核心設(shè)備實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化，整體國產(chǎn)化率超90%，供應(yīng)鏈完全自主可控?？蒲袌F(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用一體式堆本體設(shè)計(jì)，將堆芯、燃料鹽泵、換熱器等核心設(shè)備集成于反應(yīng)堆主容器內(nèi)，大幅降低放射性泄漏風(fēng)險(xiǎn)，顯著提升系統(tǒng)安全性。依托該實(shí)驗(yàn)堆，我國已構(gòu)建起獨(dú)具特色的熔鹽堆和釷鈾燃料循環(huán)研究平臺(tái)，并啟動(dòng)與國家電力投資集團(tuán)等龍頭企業(yè)的深度合作，加速推進(jìn)釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈建設(shè)。根據(jù)規(guī)劃，我國將在2026年啟動(dòng)10兆瓦級(jí)研究堆建設(shè)，2030年實(shí)現(xiàn)其滿功率運(yùn)行，2035年建成百兆瓦級(jí)示范工程，逐步推進(jìn)技術(shù)商業(yè)化落地。這一系列進(jìn)展不僅鞏固了我國在國際熔鹽堆研究領(lǐng)域的引領(lǐng)地位，更為利用我國豐富的釷資源（已探明儲(chǔ)量28.6萬噸，多為稀土開采伴生資源）奠定了基礎(chǔ)，有望破解我國鈾資源對(duì)外依存度超70%的困局。
在核心技術(shù)研發(fā)方面，我國已突破液態(tài)燃料制備、高溫熔鹽回路設(shè)計(jì)、被動(dòng)安全系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出GH3535鎳基合金等專用結(jié)構(gòu)材料并成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)堆，核石墨制備實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化——中鋼新型材料（寧夏）有限公司成為國內(nèi)唯一具備核石墨生產(chǎn)條件的企業(yè)，方大炭素研制的大規(guī)格核級(jí)石墨冷態(tài)技術(shù)性能達(dá)標(biāo)，熱導(dǎo)率、輻照穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，打破國外壟斷。同時(shí)，我國在釷-鈾燃料循環(huán)機(jī)理研究、堆芯物理設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)領(lǐng)域積累了大量數(shù)據(jù)，成功完成世界首次熔鹽堆加釷實(shí)驗(yàn)與釷鈾核燃料轉(zhuǎn)換，為后續(xù)技術(shù)迭代提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與工程支撐。
二、核心技術(shù)難題：從實(shí)驗(yàn)到商用的三道“攔路虎”
盡管我國在釷基熔鹽堆研發(fā)上取得顯著突破，但實(shí)驗(yàn)堆的成功并不意味著商業(yè)化之路暢通無阻。從啟動(dòng)運(yùn)行、結(jié)構(gòu)材料到燃料循環(huán)，該技術(shù)路線仍面臨多重核心技術(shù)挑戰(zhàn)，每一項(xiàng)都考驗(yàn)著我國的高端制造與基礎(chǔ)研究實(shí)力。
（一）鈾-233裂變產(chǎn)生的平均有效裂變中子數(shù)較低，使核燃料增殖比大于1較困難
核反應(yīng)堆核燃料中的易裂變核素在中子的轟擊下發(fā)生裂變反應(yīng)，并產(chǎn)生一定數(shù)量的中子，以維持核反應(yīng)堆中的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)持續(xù)發(fā)生，同時(shí)還可以使堆中不易裂變核素吸收中子后轉(zhuǎn)換為易裂變核素，實(shí)現(xiàn)核燃料的增殖，備注中給出了釷232吸收中子后轉(zhuǎn)化為鈾-233的過程。核反應(yīng)堆也是一個(gè)中子源，附錄1列出了一些現(xiàn)有的中子源類型。
使用鈾-233作為裂變?nèi)剂系拟Q基熔鹽堆，一般工作在熱中子譜下，鈾-233每次裂變產(chǎn)生的平均有效裂變中子數(shù)低于工作在快中子譜下的钚-239每次裂變所產(chǎn)生的平均有效裂變中子數(shù)。因此一般認(rèn)為釷基熔鹽堆的核燃料增殖比小于采用鈾-钚燃料循化的快堆燃料增殖比。另外，釷-鈾轉(zhuǎn)化鏈中存在大量中間產(chǎn)物的中子無效吸收，例如，鏷-233（釷-233衰變產(chǎn)物）具有較高的中子吸收截面，會(huì)“無效俘獲”部分中子生成鏷-234，導(dǎo)致中子資源的“浪費(fèi)”，進(jìn)一步降低核燃料增殖比。因此如何降低中子的“無效俘獲”，提高釷基熔鹽堆的核燃料增殖比是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。通常，為了提高燃料轉(zhuǎn)換能力，需要匹配在線化學(xué)回路，以凈化熔鹽，去除雜質(zhì)也去除一些其他中子吸收體，減少中子無效吸收。
備注：釷-232（??²³²Th）吸收一個(gè)中子后，需經(jīng)歷兩次β?衰變（β衰變）最終轉(zhuǎn)化為鈾-233（??²³³U），完整反應(yīng)鏈及公式如下：
第一步：釷-232俘獲中子生成釷-233
釷-232首先吸收一個(gè)熱中子（?¹n），發(fā)生核反應(yīng)生成不穩(wěn)定的釷-233（??²³³Th），反應(yīng)公式為：
??²³²Th + ?¹n → ??²³³Th + γ（γ 射線，釋放能量）
這一步是“中子俘獲”反應(yīng)，也是后續(xù)衰變的前提，文中提及的“釷-232寄生俘獲” 本質(zhì)就是該反應(yīng)（即中子用途偏離鏈?zhǔn)椒磻?yīng)需求）。
第二步：第一次β?衰變（釷-233→鏷-233）
釷-233的原子核不穩(wěn)定，其中一個(gè)中子會(huì)轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，同時(shí)釋放一個(gè)電子（β?粒子，???e）和反中微子（ν??），原子序數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變，生成鏷-233（??²³³Pa），反應(yīng)公式為：
??²³³Th → ??²³³Pa + ???e + ν??
該衰變的半衰期約22.3分鐘，屬于短半衰期衰變，衰變后產(chǎn)物仍不穩(wěn)定。
第三步：第二次 β?衰變（鏷-233→鈾-233）
鏷-233繼續(xù)發(fā)生β?衰變，原子核內(nèi)另一個(gè)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，再次釋放電子和反中微子，原子序數(shù)再增加1，最終生成穩(wěn)定的可裂變核素鈾-233，反應(yīng)公式為：
??²³³Pa → ??²³³U + ???e + ν??
該衰變的半衰期約27.4天，是整個(gè)轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵慢步驟。
綜上，從釷-232到鈾-233的完整轉(zhuǎn)化鏈為：??²³²Th（俘獲中子）→ ??²³³Th →（β?衰變）→ ??²³³Pa →（β?衰變）→ ??²³³U，核心是兩次β?衰變逐步提升原子序數(shù)，最終完成從釷到鈾的轉(zhuǎn)化。
（二）結(jié)構(gòu)材料三重考驗(yàn)：高溫、腐蝕與輻照的極限挑戰(zhàn)
釷基熔鹽堆的運(yùn)行環(huán)境堪稱“極端苛刻”：堆芯工作溫度高達(dá)600-700℃，液態(tài)氟化鹽冷卻劑兼具強(qiáng)腐蝕性，同時(shí)堆芯釋放的中子會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)材料造成持續(xù)輻照損傷。結(jié)構(gòu)材料需同時(shí)滿足抗高溫、抗強(qiáng)腐蝕、抗輻照三大要求，其性能直接決定反應(yīng)堆的安全壽命——商業(yè)堆設(shè)計(jì)壽命需達(dá)60年，而實(shí)驗(yàn)堆使用的材料仍需進(jìn)一步優(yōu)化。
核石墨作為堆芯慢化體和反射體的核心材料，面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)：高溫下易與熔鹽發(fā)生反應(yīng)，中子輻照會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)腫脹、硬化甚至微裂紋，表面微孔還可能導(dǎo)致燃料鹽滲透形成局部熱點(diǎn)。我國雖已開發(fā)出NG-CT-50等專用核石墨，其小孔喉尺寸能有效阻隔熔鹽，模擬驗(yàn)證了其優(yōu)異的熔鹽阻隔能力。耐輻照試驗(yàn)顯示，在400℃、30MeV Ni??離子束輻照環(huán)境下，NG-CT-50核石墨輻照區(qū)域微裂紋出現(xiàn)少量收縮，納米級(jí)孔隙數(shù)量減少，晶體非晶化程度隨輻照深度增加而上升，且在600℃高溫環(huán)境下輻照損傷可得到一定程度恢復(fù)。但商業(yè)堆要求材料承受10-30dpa的高輻照劑量，如何在該劑量下保證長期尺寸穩(wěn)定性與力學(xué)性能，仍是亟待突破的關(guān)鍵難題。
備注：dpa是衡量材料所受中子輻照損傷程度的核心指標(biāo)，其中“dpa”是英文 “Displacements Per Atom”的縮寫，中文意為“每個(gè)原子的位移次數(shù)”，直觀反映核反應(yīng)堆內(nèi)中子轟擊對(duì)材料原子結(jié)構(gòu)的破壞強(qiáng)度。
具體來說，釷基熔鹽堆運(yùn)行時(shí)，堆芯釋放的高能中子會(huì)持續(xù)撞擊結(jié)構(gòu)材料（如NG-CT-50核石墨、GH3535鎳基合金）的原子。當(dāng)中子能量足夠高時(shí)，會(huì)把材料中的原子從原本穩(wěn)定的晶格位置“撞出”，形成空位和間隙原子 —— 這種原子位移就是輻照損傷的核心來源。1dpa就表示材料中平均每個(gè)原子被撞出原有位置1次；10-30dpa則意味著，材料中每個(gè)原子平均被位移 10 到 30 次，屬于極端苛刻的高輻照環(huán)境。
對(duì)釷基熔鹽堆而言，商業(yè)堆設(shè)計(jì)壽命需達(dá)60年，其間結(jié)構(gòu)材料（尤其是核石墨、包殼合金）要長期承受堆芯中子轟擊，必須耐受10-30dpa的輻照劑量。這一指標(biāo)的核心意義在于：若材料無法達(dá)標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)明顯的性能退化 —— 比如核石墨會(huì)腫脹、開裂，鎳基合金會(huì)脆化、腐蝕加劇，最終導(dǎo)致材料失效，嚴(yán)重威脅反應(yīng)堆安全運(yùn)行。文中提及 NG-CT-50 核石墨雖能在低劑量輻照下保持一定穩(wěn)定性，但要滿足10-30dpa的長期要求，仍需攻克尺寸穩(wěn)定性與力學(xué)性能保持的難題。
而作為回路與堆芯包殼材料的鎳基合金，同樣面臨高溫、腐蝕與輻照疊加的“極限修羅場”考驗(yàn)。我國自主研發(fā)的GH3535合金已成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)堆，相關(guān)耐輻照試驗(yàn)表明，在模擬堆芯600-700℃高溫環(huán)境下，經(jīng)一定劑量輻照后，合金仍能保持基本力學(xué)性能，但存在輕微晶間腐蝕傾向，輻照會(huì)加劇氟離子引發(fā)的應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致材料疲勞壽命下降。目前，我國科研團(tuán)隊(duì)正通過同步輻射成像、離子束輻照實(shí)驗(yàn)等手段，深入研究材料微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，探索通過表面涂層、成分微調(diào)等方式提升其綜合性能，但要實(shí)現(xiàn)商業(yè)堆60年設(shè)計(jì)壽命所需的長期可靠性，仍需在材料成分設(shè)計(jì)與制備工藝上持續(xù)攻關(guān)。
（三）在線同步后處理：高溫放射性環(huán)境的“精細(xì)操作”難題
釷基熔鹽堆的另一大優(yōu)勢(shì)是可通過在線后處理系統(tǒng)連續(xù)提取裂變產(chǎn)物、回收未燃盡燃料，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行5—7年無需停機(jī)換料，這也是其區(qū)別于傳統(tǒng)鈾堆的核心特征之一。需要明確的是，熔鹽堆在線后處理技術(shù)并非單一工藝，而是一套集成化技術(shù)體系，干法熔鹽電解是其中的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但并非全部。從技術(shù)分類來看，核燃料后處理分為水法與干法，釷基熔鹽堆的燃料由多種金屬氟化物熔鹽組成，難溶于水，因此干法后處理是其唯一適配的技術(shù)路線，而熔鹽電解則是干法體系中實(shí)現(xiàn)元素分離的核心手段。但在線后處理的完整流程還包括前置的氟化揮發(fā)、減壓蒸餾等工藝，以及后續(xù)的燃料重構(gòu)環(huán)節(jié)，需要多工藝協(xié)同才能實(shí)現(xiàn)燃料鹽的連續(xù)純化與循環(huán)利用。這種復(fù)雜的技術(shù)集成，使得在線同步后處理堪稱“在刀尖上跳舞”——需在高溫、強(qiáng)放射性環(huán)境下，對(duì)流動(dòng)的液態(tài)燃料鹽進(jìn)行精準(zhǔn)分離與提純，任何操作失誤都可能導(dǎo)致放射性泄漏或燃料損失。
目前，我國實(shí)驗(yàn)堆仍采用批次處理方式，連續(xù)在線處理技術(shù)尚處于研發(fā)階段，其中干法熔鹽電解環(huán)節(jié)的工程化驗(yàn)證是核心攻關(guān)重點(diǎn)。該技術(shù)的核心難點(diǎn)集中在三方面：一是高溫下裂變產(chǎn)物的精準(zhǔn)分離，熔鹽電解需在600-700℃高溫下進(jìn)行，需開發(fā)專用電極材料與電解質(zhì)體系，確保高效分離鈾、釷等錒系元素與裂變產(chǎn)物，同時(shí)避免電極腐蝕與副反應(yīng)發(fā)生；二是設(shè)備的耐輻射與密封性，電解裝置需長期在強(qiáng)輻射環(huán)境下工作，密封件易受高溫與輻射雙重作用老化失效，可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏；三是處理過程的自動(dòng)化控制，電解過程中的電壓、電流、熔鹽成分等參數(shù)需實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)控，需開發(fā)高精度傳感器與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人化操作。此外，前置的氟化揮發(fā)工藝需高效分離鈾并轉(zhuǎn)化為UF?，減壓蒸餾環(huán)節(jié)需精準(zhǔn)回收LiF、BeF?等載體鹽，這些環(huán)節(jié)與熔鹽電解協(xié)同匹配的穩(wěn)定性，同樣是技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵。盡管我國已建成燃料鹽后處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，且干法后處理主工藝流程已完成中試驗(yàn)證，但要滿足商業(yè)堆的處理效率與安全性要求，仍需突破多工藝集成優(yōu)化、大型化設(shè)備研制等一系列關(guān)鍵技術(shù)。
三、展望：攻堅(jiān)破難，開啟釷基能源新時(shí)代
釷基熔鹽堆作為我國在第四代核能領(lǐng)域的“先手棋”，其技術(shù)突破不僅關(guān)乎能源安全，更能推動(dòng)我國在高溫制氫、熔鹽儲(chǔ)能等關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，構(gòu)建多能互補(bǔ)的低碳復(fù)合能源系統(tǒng)。面對(duì)上述技術(shù)難題，我國已制定清晰的攻關(guān)路線：通過國家戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)持續(xù)投入，集聚材料科學(xué)、核物理、高端制造等多領(lǐng)域力量，從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用進(jìn)行全鏈條突破。
目前，核石墨性能優(yōu)化、鎳基合金腐蝕防護(hù)、在線后處理工藝等關(guān)鍵領(lǐng)域的研究正在穩(wěn)步推進(jìn)，10兆瓦級(jí)研究堆已進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，計(jì)劃2026年啟動(dòng)建設(shè)，核心任務(wù)是驗(yàn)證高功率、長時(shí)間運(yùn)行下的設(shè)備可靠性，為百兆瓦級(jí)堆型積累工程經(jīng)驗(yàn)。從當(dāng)前進(jìn)展來看，距離百兆瓦級(jí)電站商業(yè)化推廣仍有10年左右的路程：按照規(guī)劃，2035年將建成百兆瓦級(jí)示范工程并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，開展供熱、制氫等多元化應(yīng)用示范；2040年左右完成釷鈾燃料循環(huán)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化穩(wěn)定運(yùn)營，屆時(shí)需通過規(guī)?；档统杀?，確保其在經(jīng)濟(jì)性上可與傳統(tǒng)核電、煤電抗衡。隨著技術(shù)的不斷迭代，釷基熔鹽堆有望如期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化突破，屆時(shí)我國豐富的釷資源將得到充分利用，核能產(chǎn)業(yè)將擺脫對(duì)鈾資源的依賴，為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)有力的支撐。
當(dāng)然，技術(shù)攻堅(jiān)非一日之功，釷基熔鹽堆的商業(yè)化之路仍需長期堅(jiān)持。但憑借我國在實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)、核心材料國產(chǎn)化等方面的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，以及體系化的科研攻關(guān)能力，我們有理由相信，釷基熔鹽堆將成為中國引領(lǐng)全球能源革命的重要力量，開啟清潔、安全、可持續(xù)的能源新時(shí)代。
附錄1、目前市場上有哪些成熟的中子源技術(shù)
目前市場上的中子源技術(shù)可按原理與應(yīng)用場景分為三大核心類別，覆蓋科研、工業(yè)、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，具體如下：
一、反應(yīng)堆中子源
這是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)中子源，核心是利用核燃料（如鈾 - 235）裂變反應(yīng)釋放中子。其特點(diǎn)是能產(chǎn)生穩(wěn)定的連續(xù)中子束，中子通量高，適合需要長時(shí)間穩(wěn)定中子供應(yīng)的場景，比如基礎(chǔ)科學(xué)研究、材料輻照試驗(yàn)、核燃料循環(huán)驗(yàn)證等。國內(nèi)代表性裝置包括綿陽研究堆（CMRR）、中國先進(jìn)研究堆（CARR），它們與散裂中子源形成互補(bǔ)，為中子散射研究提供支撐。不過這類中子源存在核燃料依賴、散熱限制（中子通量已近飽和）、退役處理復(fù)雜等問題，且難以小型化。
二、散裂中子源
作為新一代高通量中子源，其原理是通過高能加速器將質(zhì)子加速至極高能量（如中國散裂中子源可達(dá) 16 億電子伏特），轟擊鎢等重金屬靶，通過核散裂反應(yīng)產(chǎn)生大量中子。相比反應(yīng)堆中子源，它具有脈沖通量高、中子能譜豐富、安全性好（無核燃料，活化產(chǎn)物少）、脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)優(yōu)越等優(yōu)勢(shì)，是前沿科學(xué)研究的 “國之重器”。全球已建成的有中國散裂中子源（CSNS，東莞）、美國 SNS、日本 J-PARC 等，主要用于材料科學(xué)、生命科學(xué)、新能源（如鋰電池結(jié)構(gòu)研究）、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片測(cè)試等領(lǐng)域。目前其商業(yè)化應(yīng)用仍集中在高端科研與核心工業(yè)檢測(cè)，成本較高，裝置體積龐大。
三、中子發(fā)生器
這是市場化程度最高、場景適應(yīng)性最強(qiáng)的中子源，核心是通過粒子加速使氘核、氚核等與靶材發(fā)生核反應(yīng)（如氘 - 氚反應(yīng)）產(chǎn)生中子，可分為便攜式與固定式兩類，其中便攜式占主導(dǎo)市場份額。其優(yōu)勢(shì)是體積小、成本可控、操作靈活，無需復(fù)雜核設(shè)施審批，廣泛應(yīng)用于石油勘探（測(cè)井）、安全監(jiān)測(cè)（爆炸物檢測(cè)）、材料分析、醫(yī)療技術(shù)研發(fā)（如硼中子俘獲治療設(shè)備）等領(lǐng)域。全球主要廠商包括美國 SHINE、法國 Sodern、美國 Thermo Fisher Scientific，國內(nèi)則有泛華檢測(cè)技術(shù)有限公司等本土企業(yè)布局。不過其中子通量較低，難以滿足高要求的基礎(chǔ)科研需求。
四、锎252同位素中子源技術(shù)介紹
锎252（²?²Cf）作為一種極具特殊性的人工合成同位素，是目前全球公認(rèn)的高效便攜式中子源。其核心特性集中體現(xiàn)為“高通量、自裂變、小型化”：一是中子產(chǎn)出效率極高，中子通量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)镅-鈹、钚-鈹中子源，屬于高能中子源范疇；二是無需外界觸發(fā)，锎252可在常溫常壓下自主發(fā)生裂變并釋放中子，無需復(fù)雜驅(qū)動(dòng)設(shè)備；三是體積小巧，毫克級(jí)的锎252即可形成有效中子源，便于封裝和靈活部署，適配小型化、移動(dòng)式應(yīng)用場景。盡管锎252中子源性能優(yōu)異，但受限于自身特性與制備難度，其大規(guī)模應(yīng)用仍面臨顯著瓶頸：一是極度稀缺且成本高昂，锎252無法天然存在，需通過高通量反應(yīng)堆長期輻照钚-239等重元素靶材微量合成，且提純過程復(fù)雜危險(xiǎn)，全球年產(chǎn)量僅為克級(jí)，價(jià)格堪比黃金數(shù)十倍；二是半衰期較短，2.65年的半衰期導(dǎo)致其中子產(chǎn)出能力隨時(shí)間快速衰減，需定期更換源體，增加了運(yùn)維成本與放射性廢物處理壓力；三是放射性風(fēng)險(xiǎn)高，除釋放中子外，锎252還會(huì)伴隨γ射線釋放，需配備厚重的屏蔽裝置（如鉛、硼屏蔽體），限制了其在部分場景的部署靈活性；四是功率上限低，單臺(tái)锎252中子源的中子通量難以滿足大型反應(yīng)堆、大規(guī)模工業(yè)檢測(cè)等場景的需求，目前主要用于中小型精準(zhǔn)應(yīng)用場景。
需要說明的是，盡管中子源技術(shù)類型多樣，但能滿足釷基熔鹽堆啟動(dòng)需求（高中子通量、穩(wěn)定供應(yīng)、適配堆芯環(huán)境）的成熟非鈾中子源仍屬空白 —— 散裂中子源體積過大且成本極高，無法集成至反應(yīng)堆；中子發(fā)生器通量不足，難以支撐鏈?zhǔn)椒磻?yīng)啟動(dòng)；锎252中子源可作為實(shí)驗(yàn)堆或小型模塊化堆的啟動(dòng)中子源備選方案，有望替代鈾-235實(shí)現(xiàn)無鈾啟動(dòng)，但受限于成本與稀缺性，難以適配百兆瓦級(jí)及以上商業(yè)堆的大規(guī)模應(yīng)用需求。這也是當(dāng)前釷基熔鹽堆仍依賴鈾 - 235 作為初始中子源的核心原因。
附錄2、陶瓷能否替代石墨做中子慢化劑？
陶瓷是否具有中子慢化作用，取決于其具體成分 —— 部分陶瓷具備中子慢化能力，但并非所有陶瓷都適合作為釷基熔鹽堆等核裝置的慢化材料。
從原理來看，中子慢化的核心是讓快中子（高能）與原子核發(fā)生彈性碰撞，逐步損失能量轉(zhuǎn)化為熱中子（低能），而氫、碳等輕元素原子核因質(zhì)量與中子接近，慢化效率更高。因此，含氫、碳等輕元素的陶瓷，會(huì)表現(xiàn)出一定的中子慢化作用：比如碳化硅陶瓷（含碳）、氮化硼陶瓷（含硼與氮，輕元素為主）、羥基磷灰石陶瓷（含氫）等，其中碳化硅陶瓷因耐高溫、抗腐蝕性能優(yōu)異，常被視為核領(lǐng)域的潛在候選材料。
但需注意，釷基熔鹽堆當(dāng)前主流慢化材料是核石墨（如文中提及的 NG-CT-50 專用核石墨），而非陶瓷。核心原因在于：多數(shù)陶瓷的慢化效率低于核石墨（核石墨純度高、碳含量高，慢化性能更優(yōu)）；且釷基熔鹽堆運(yùn)行環(huán)境極端（600-700℃高溫、強(qiáng)腐蝕性熔鹽、強(qiáng)輻照），多數(shù)陶瓷的高溫穩(wěn)定性、抗輻照開裂性能尚未達(dá)到商業(yè)堆的長期使用要求（需穩(wěn)定運(yùn)行 60 年）。不過，科研界正探索改性陶瓷（如摻雜碳、硼的復(fù)合陶瓷）用于特定核場景，以兼顧慢化性與耐極端環(huán)境能力。
附錄3、熔鹽棒狀堆的可行性
針對(duì)液態(tài)燃料熔鹽堆存在的燃料流動(dòng)控制復(fù)雜、在線后處理難度大等問題，業(yè)界提出“熔鹽棒狀堆”方案——將熔鹽燃料封裝于固定棒狀結(jié)構(gòu)中而非直接循環(huán)，試圖結(jié)合傳統(tǒng)棒狀燃料堆的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與熔鹽堆的高溫安全優(yōu)勢(shì)。從技術(shù)原理來看，該方案具備一定可行性，但需突破一系列針對(duì)性難題，整體仍處于概念探索階段。
熔鹽棒狀堆的核心可行性基礎(chǔ)在于兩點(diǎn)：一是保留了熔鹽堆的核心安全特性，封裝于棒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的熔鹽燃料在高溫下仍具備常壓運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，即便發(fā)生棒體破損，熔鹽的高沸點(diǎn)特性也能減少泄漏風(fēng)險(xiǎn)，且無需復(fù)雜的熔鹽循環(huán)回路；二是兼容傳統(tǒng)棒狀堆的成熟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，堆芯布局、控制棒系統(tǒng)等可借鑒現(xiàn)有核電技術(shù)，降低堆本體設(shè)計(jì)的技術(shù)門檻。對(duì)于追求結(jié)構(gòu)簡化、短期降低研發(fā)難度的場景，該方案具備一定探索價(jià)值。
但該方案面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)同樣突出，甚至在部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)比流動(dòng)堆更為苛刻：首先是燃料元件制備難度極高。釷基熔鹽燃料的核心成分如二氧化釷熔點(diǎn)高達(dá)3350℃，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)二氧化鈾燃料的2800℃，要制備高密度、高純度的棒狀封裝燃料元件，需突破超高溫?zé)Y(jié)工藝（燒結(jié)溫度需超過2000℃），且封裝材料需同時(shí)抵御高溫熔鹽腐蝕與強(qiáng)輻照，目前GH3535等現(xiàn)有合金的長期可靠性仍需驗(yàn)證。其次是傳熱效率與熱斑控制難題。流動(dòng)堆通過熔鹽循環(huán)實(shí)現(xiàn)高效傳熱，而棒狀堆中熔鹽固定封裝，熱量需通過棒體包殼間接傳導(dǎo)至冷卻系統(tǒng)，傳熱路徑變長且效率下降；同時(shí)，堆芯功率分布不均易導(dǎo)致棒內(nèi)熔鹽形成局部熱斑，可能引發(fā)封裝材料熱應(yīng)力開裂，進(jìn)一步加劇安全風(fēng)險(xiǎn)。
更關(guān)鍵的是，該方案會(huì)大幅削弱釷基熔鹽堆的核心優(yōu)勢(shì)。流動(dòng)堆的核心競爭力之一是可實(shí)現(xiàn)在線換料與后處理，無需停機(jī)即可提取裂變產(chǎn)物、補(bǔ)充釷燃料，而棒狀堆需像傳統(tǒng)鈾堆一樣停機(jī)換料，不僅降低設(shè)備利用率，還會(huì)因釷－鈾轉(zhuǎn)換周期長導(dǎo)致燃料利用率下降。此外，封裝于棒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的熔鹽燃料長期處于高溫輻照環(huán)境，會(huì)加速包殼材料的老化失效，且裂變產(chǎn)物的積累會(huì)導(dǎo)致中子吸收截面上升，進(jìn)一步增加鈾-233鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自持的控制難度，與流動(dòng)堆通過在線處理維持堆芯活性的優(yōu)勢(shì)形成鮮明反差。
綜合來看，熔鹽棒狀堆在技術(shù)上具備可行性，但本質(zhì)是一種“妥協(xié)性方案”——以犧牲釷基熔鹽堆的燃料利用率、在線處理等核心優(yōu)勢(shì)為代價(jià)，換取結(jié)構(gòu)簡化。短期內(nèi)可作為小眾場景的補(bǔ)充探索方向，例如小型模塊化堆、特殊環(huán)境供電堆等對(duì)換料頻率要求不高的場景；但對(duì)于追求釷資源高效利用、實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模發(fā)電的核心目標(biāo)，其綜合性能仍不及液態(tài)燃料流動(dòng)堆。當(dāng)前該方案尚未有成熟的實(shí)驗(yàn)堆驗(yàn)證，需優(yōu)先突破超高溫燃料元件制備、高效傳熱設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，才具備進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。
作者：未來能源研究中心 田力
評(píng)論