高溫氣冷堆、熔鹽堆與中國核電的故事

高溫氣冷堆

高溫氣冷堆（PebbleBed Reactor），本文主要對它做個簡單的介紹。

首先澄清一下核能發(fā)電的代別：最早的設(shè)計，不論是壓水式（主環(huán)路靠高壓使水完全不能沸騰）還是沸水式（主環(huán)路容許水的氣態(tài)），都沒有對安全備分做足夠的考慮，所以后來改進(jìn)之后，就分別稱為第一代（如Chernobyl）和第二代（如日本的福島，所有美國目前在運(yùn)行的核電廠和***的核一、核二、核三）。

壓水式和沸水式反應(yīng)爐最大的危險在于若是冷卻水主環(huán)路失靈，那么即使中子吸收棒被放到“全關(guān)”的位置，之前裂變產(chǎn)生的放射性元素仍然會繼續(xù)裂變而產(chǎn)生過多的熱量，最終會把整個爐心熔化掉（Reactor Core Meltdown），極高溫的放射性金屬熔漿有可能會燒穿反應(yīng)爐的水泥地基而滲入地下水層，將大量危險的放射性同位素（一般是像碘131這種短半衰期的裂變產(chǎn)品放射性危害最強(qiáng)，而碘進(jìn)入人體之后會聚積在甲狀腺，所以上次福島核災(zāi)后有謠言叫災(zāi)民多吃碘）釋放到外界，因此這兩類反應(yīng)爐的安全設(shè)備主要專注在保障冷卻水主環(huán)路持續(xù)流通。

第二代的核電廠普遍使用柴油發(fā)電機(jī)在停機(jī)時驅(qū)動主泵，確保冷卻水的循環(huán)。后來三哩島事件使設(shè)計廠商開始認(rèn)真檢討所有可能出毛病的環(huán)節(jié)，就有人提出柴油發(fā)電機(jī)并不是100%的可靠（例如福島在海嘯之后，自然是反應(yīng)爐和柴油機(jī)一起泡湯），于是在1980年代西屋、GE和法國的Areva都開始研究完全不需電力供應(yīng)的冷卻方法，這就是第三代反應(yīng)爐。

不過要在沒有電力供應(yīng)的條件下保持無限期的冷卻水循環(huán)違反了能量守恒定律，所以先天上就是不可能的。工程上的解決辦法只能把一個大水池建在屋頂，利用重力來推動循環(huán)，那么當(dāng)這池水用完以后，反應(yīng)爐仍然會熔毀。目前的設(shè)計一般是保障七天左右，在這段時間內(nèi)，維修人員必須重啟電力供應(yīng)。這在天災(zāi)情況下應(yīng)該是做得到的，在戰(zhàn)爭人禍的情形下就很難說了。

至于所謂的第四代反應(yīng)爐，則是對所有把壓水/沸水式完全推倒重來的設(shè)計的通稱，包括了好幾種截然不同的構(gòu)想。但是由于傳統(tǒng)的壓水/沸水式在工程投入上有70年的領(lǐng)先，所以這些新設(shè)計必須有根本性的優(yōu)勢，否則不可能有人愿意投資幾百億美元來做開發(fā)。目前只有兩種設(shè)計滿足這樣的要求，分別是高溫氣冷堆和快滋生反應(yīng)堆（Fast Breeder）：前者專注在安全性，保證絕不熔堆，而后者則可以用來做元素嬗變（ElementalTransmutation），最主要是將鈾238變成鈽239。

從商業(yè)觀點(diǎn)上來看，只有前者有真正實用上的價值；快滋生反應(yīng)堆生產(chǎn)的鈽剛好是核子武器的最佳原料，只有軍方和日本政府（日本自中曾根康弘首相之后便開始積極囤積鈽239，所用的借口是把鈽和鈾混合成MOX核能燃料；正因為有這個偷偷摸摸的任務(wù)，日本的核能監(jiān)管單位對電力公司不能做嚴(yán)格的審查，最后間接導(dǎo)致福島核災(zāi)）才會有興趣冒經(jīng)濟(jì)和安全上的風(fēng)險。

50、60和70年代是核能發(fā)電的黃金時代，在歐美日等先進(jìn)工業(yè)國家有幾百座第一代和第二代的核電廠建成上線。1979年的Three Mile Island Accident（三哩島事件）和1986年的Chernobyl Accident（車諾比事件）是極重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此后20年核電工業(yè)的增長基本停頓，少數(shù)新建成的反應(yīng)爐只夠替代退役的反應(yīng)爐；所以總數(shù)量停滯在400多座，一直到近十年才因中國的能源政策而重新進(jìn)入成長期。

高溫氣冷堆最早是1943年美國的Farrington Daniels在Oak Ridge實驗室所做的一個實驗，不過一直到1960年才在西德由Rudolf Schulten主持，開始實際的工程設(shè)計與建設(shè)。Schulten的反應(yīng)爐叫做ArbeitsgemeinschaftVersuchsreaktor（Joint ExperimentalReactor，聯(lián)合實驗反應(yīng)堆），簡稱AVR，1967年建成并網(wǎng)發(fā)電，電功率為15MW。

1986年車諾比事件后，西德對核電開始有疑慮，AVR也受到嚴(yán)格的監(jiān)督。1988年發(fā)生了一個小事故（燃料球卡在出口），在處理的過程中釋放了很少量的放射性塵埃（燃料球的外殼不夠強(qiáng)，以致破裂），但是當(dāng)時的民情已經(jīng)不容許任何放射性災(zāi)害，于是AVR被關(guān)閉，德國政府花了26年來清理現(xiàn)場并檢討整個經(jīng)驗，到2014年才大功告成，發(fā)布了報告。

Schulten原本已經(jīng)準(zhǔn)備開建下一代的高溫氣冷堆，叫做HTR-MODUL，其改進(jìn)的重點(diǎn)是針對AVR的幾次事故（70年代的事故被遮掩到2000年代才發(fā)現(xiàn)）重新設(shè)計反應(yīng)室出口和燃料球；新燃料球在1988年正要開始試產(chǎn)，結(jié)果全部生產(chǎn)線必須作廢。但是中國有極佳的先見之明，在1970年代末就已經(jīng)從清華派了學(xué)者和學(xué)生去參加Schulten的團(tuán)隊，團(tuán)隊被解散之后，他們說服中國當(dāng)局，以極低的價格買下了知識產(chǎn)權(quán)的執(zhí)照和圖紙（南非也買了執(zhí)照和圖紙，但是沒有什么大進(jìn)展，2010年正式放棄），并且把燃料球生產(chǎn)線帶回清華。

1995年中國版的HTR-MODUL（改稱HTR-10）在清華校園開建，2000年建成并網(wǎng)，電功率為10MW。2005年商業(yè)版的示范堆在山東石島灣開建，預(yù)定2017年完成，雙機(jī)并聯(lián)，總電功率為200MW。

HTR-10的示意圖，可以看出高溫氣冷堆的結(jié)構(gòu)極其簡單，基本上就是一個大沙漏里裝了幾十萬個燃料球，既沒有中子減速劑，也沒有中子吸收棒，完全不須在爐心使用機(jī)械裝置。這是因為所有的功能都集中到燃料球本身，停機(jī)靠的是物理性質(zhì)而不是工程手段。冷卻環(huán)路用的是氦，因為氦的腐蝕性和放射吸收性都是零。既然氦不會吸收放射性，理論上就可以用主環(huán)路直接驅(qū)動渦輪，從而獲得更高的熱效率。但是在攝氏950度用氦推動的渦輪此前沒有現(xiàn)成的應(yīng)用，必須從頭開發(fā)，而中方的渦輪技術(shù)并不太強(qiáng)，所以清華團(tuán)隊很明智地選擇了使用第二環(huán)路來推動蒸汽渦輪的方案，這也避免了燃料球破裂后，放射性塵埃污染渦輪的危險。如此一來，高溫氣冷堆的真正技術(shù)難關(guān)就完全集中到燃料球本身。

燃料球是Schulten的發(fā)明，不同的高溫氣冷堆視設(shè)計功率需求決定放多少個燃料球；一般是幾十萬個。每個燃料球直徑為60mm（比網(wǎng)球略小一點(diǎn)），最外層是5mm厚的強(qiáng)化石墨；中心的餡兒直徑50mm，由八千個燃料粒和石墨混合而成。石墨是很好的中子減速劑和熱導(dǎo)體，并且可以耐熱到攝氏2800度；而高溫氣冷堆受核物理的天然限制，爐心溫度不可能超過攝氏1600度，一般工作溫度在攝氏950度左右。燃料粒直徑為0.92mm，由四個保護(hù)層包裹直徑0.5mm的二氧化鈾燃料而成。石墨和氦都不會吸收放射性，所以燃料球用完后，本身就是圍阻體，可以簡單裝箱掩埋，無需另外的機(jī)械或化學(xué)處理；不過廢料總體積會增加。

高溫氣冷堆的功率控制和絕不熔堆的保證，來自一個很特別的核物理性質(zhì)：裂變產(chǎn)生的快中子（Fast Neutron）和石墨原子核碰撞之后，損失動能，成為慢中子（Thermal Neutron）；而其他鈾235原子核吸收慢中子（這就是所謂的連鎖反應(yīng)，Chain Reaction；鈾238原子核剛好相反，喜歡吸收快中子而不管慢中子；高溫氣冷堆的石墨減速劑比壓水/沸水式用的輕水有效，所以鈾235不須被濃縮到同樣的5%濃度，甚至只有0.7%是鈾235的天然鈾在理論上都可以用）而引發(fā)新的裂變的截面積（亦即機(jī)率）隨溫度增高而減小，在攝氏1000度以上減小得很快。

所以要停機(jī)，只須要把主環(huán)路的氦氣風(fēng)扇關(guān)掉，讓爐心溫度逐步升高到攝氏1600度，連鎖反應(yīng)就基本停止了。這時鈾即使熔化，因為它被包在燃料粒里，也不會泄露。既然關(guān)掉主環(huán)路里的氦氣循環(huán)是正常運(yùn)作的一部分，那么在天災(zāi)或故障時失去電力供應(yīng)，也就沒什么大不了的。

高溫氣冷堆之所以至今沒有普及，主要是經(jīng)濟(jì)上的問題。它雖然結(jié)構(gòu)很簡單，但是在工程設(shè)計上遠(yuǎn)不如壓水/沸水式成熟，所以第一代的發(fā)電站仍然故障不斷，沒有經(jīng)濟(jì)效益。此外它的功率密度很低，反應(yīng)爐心占地900立方公尺，比壓水式的30立方公尺（這還是民用反應(yīng)爐，包括了更換燃料棒的機(jī)制；核潛艇用的更小得多）大30倍，功率反而只能做到100MW，而最新的壓水式已經(jīng)達(dá)到1400MW。

清華的設(shè)計是兩個反應(yīng)爐共推一個蒸汽輪機(jī)，合起來成為一個模塊。理論上模塊和燃料球都可以大規(guī)模生產(chǎn)（清華自己的生產(chǎn)線年產(chǎn)量10萬枚，現(xiàn)在正在包頭市建設(shè)年產(chǎn)30萬枚的工廠），長期下來成本有可能壓低到遠(yuǎn)比壓水式還低；但是這里有一個很大的不確定性，也就是高溫氣冷堆核電站是否需要傳統(tǒng)的緊急事故處理設(shè)備，例如廠房安全殼。壓水/沸水式因為有爐心熔毀的可能，安裝反應(yīng)爐的廠房本身也必須是特別設(shè)計的氣密安全殼（當(dāng)然因為冷卻水沸騰時可以產(chǎn)生爆炸性的力量，兩層安全殼仍然不足以保證絕對的安全；而高溫氣冷堆用的氦氣是不會爆炸的）。

如果高溫氣冷堆也必須建昂貴的廠房安全殼，那么因為它的功率密度低，安全殼就必須建得更大，而且必須在氣密的同時提供氣冷，費(fèi)用反而會更高得多。如果因為高溫氣冷堆的安全性而省略了緊急事故處理設(shè)備，那么它很快就會比傳統(tǒng)的核電廠便宜，甚至可以直接替換掉煤電廠的舊鍋爐，沿用現(xiàn)成的蒸汽渦輪。

所以雖然高溫氣冷堆的安全性已經(jīng)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)式的核電站，它的前途還是決定在這個安全性到底高到哪里。歷史上AVR的麻煩主要在于燃料球卡在出口，而在處理的過程中有燃料球破裂。原本燃料粒本身已經(jīng)有四層防護(hù)，所以燃料球破裂應(yīng)該也沒關(guān)系；但是年產(chǎn)30萬枚燃料球，每個球有8000個燃料粒，那就是24億顆燃料粒。

目前的工藝可以保證99.999%的良率，但是即使再提升一個數(shù)量級，也就是達(dá)到了99.9999%的良率，仍然會有2400顆破損的燃料粒，當(dāng)那2400枚含問題燃料粒的燃料球破裂時，就會有可能泄露放射性塵埃。不過一顆燃料粒只含0.7mg的鈾，所以這樣產(chǎn)生的塵埃是相當(dāng)微不足道的。

在最壞的可能情形下，也就是當(dāng)外力（例如天災(zāi)、飛彈攻擊或廠房失火/爆炸）打破反應(yīng)爐，氦氣外泄，空氣進(jìn)入反應(yīng)爐，那么高溫的石墨會自行點(diǎn)燃，放射性污染就有可能會隨煙塵而散布（不過燃料粒的外層有Silicon Carbide，這種陶瓷材料不但堅硬、耐高溫，而且不易燃）。雖然有計算機(jī)仿真，顯示因為燃料球堆積很密，燃燒會有困難，但是這是假設(shè)廠房基本完整；如果廠房已經(jīng)崩塌，氧氣的供應(yīng)就可能足夠引發(fā)大火。當(dāng)然以這個腳本來判斷安全性是很不公平的，所有其他的核電反應(yīng)爐設(shè)計在同樣情形下，放射性污染都會比高溫氣冷堆高出好幾個數(shù)量級；問題在于分析了風(fēng)險回報之后，是不是可以省略一些緊急事故處理設(shè)備（石島灣似乎就省略掉了廠房安全殼，但是因為有傳統(tǒng)的反應(yīng)堆在隔壁，其他處理緊急事故的軟硬件設(shè)備都是現(xiàn)成的；但是高溫氣冷堆的經(jīng)濟(jì)性只有在脫離傳統(tǒng)核電廠之后才能顯示出來）。很不幸的是，一般民眾沒有風(fēng)險的概念，往往在被傳播媒體有意無意中傷的新科技上，為了極小的風(fēng)險而因噎廢食；而舊有的工業(yè)技術(shù)，卻因為有既得利益者（如石油財團(tuán)）護(hù)航，可以每年害死幾萬人而沒有媒體敢討論（如燒煤和燒油的空氣污染，造成每年全球因肺癌死亡的人數(shù)，就遠(yuǎn)超過人類歷史上因核電意外而死亡的總?cè)藬?shù)，這還不考慮全球暖化的后果）。所以只有理性的政府才能做出理性的最佳決定，而***的民主政體卻是絕對反理性的。

再談中國的核電發(fā)展

我在前文《高溫氣冷堆》中介紹了這項由清華主導(dǎo)的第四代核電技術(shù)。中國是唯一還在積極發(fā)展高溫氣冷堆的國家，投資也算是可觀，但是它其實不但不是當(dāng)前中國核電的主流，連未來的主力研發(fā)方向都算不上，只是一項備用的技術(shù)。

其問題的根本在于高溫氣冷堆的功率密度過低，雙堆并聯(lián)也只有200MW的電功率，而中國對核電的需求極高，到2020年預(yù)訂必須有58GW的裝機(jī)量，到2030年將超過400GW；相形之下，最新的壓水堆已達(dá)到單堆1.75GW的電功率，所需的廠房數(shù)目可以減低一個數(shù)量級。

因此中國的核能戰(zhàn)略是所謂的三步走：“熱堆—快堆—聚變堆”，其中的熱堆就是第三代的壓水堆，快堆是我在《高溫氣冷堆》也提過的快滋生反應(yīng)堆，聚變堆則是與超弦并列為物理界兩大成功忽悠的不切實際幻想。

還好搞核聚變的人不敢把商業(yè)化的日期訂得太近，以免謊話被拆穿。最大膽的（一般是50歲以上，20年內(nèi)就會退休的人）也只敢說30年后，所以中方的投資還在預(yù)研階段，不算太高，而且是多方下注，除了純聚變之外，也支持所謂的“Z箍縮聚變-裂變混合反應(yīng)堆”。

這其實是用很小規(guī)模的聚變來激發(fā)快滋生裂變反應(yīng)，也就是聚變產(chǎn)生的中子并不直接用來加熱蒸汽輪機(jī)，而是被鈾238吸收后再依傳統(tǒng)的裂變反應(yīng)來發(fā)電，因此在技術(shù)上還有實用化的可能，真正的問題可能會出在經(jīng)濟(jì)性上，亦即競爭不過液態(tài)金屬冷卻的快堆，但是那要等實件做出來之后才能確定。這個計劃的領(lǐng)導(dǎo)人是中物院的彭先覺院士，他在今年稍早公開說核聚變“可能無法很快”實用化，并不是酸葡萄心理下的無的放矢。

實際上中國到2030年所需要的400多座核電反應(yīng)爐，絕大多數(shù)都會是第三代的壓水堆。原本的計劃是以西屋的AP-1000系列（由國核技引進(jìn)）為主力，但是一方面美方提供的關(guān)鍵部件（推動冷卻劑內(nèi)環(huán)路的主泵）老是不過關(guān)，另一方面過去兩年為了努力外銷創(chuàng)匯，決策高層了解到外銷型號也必須在國內(nèi)大量部署，否則客戶永遠(yuǎn)會有疑慮，所以似乎已經(jīng)轉(zhuǎn)向為AP和華龍一號兼顧的策略。

當(dāng)然華龍一號其實是兩種完全不同的設(shè)計：中核的土產(chǎn)型號和中廣核的仿EPR。這次英國愿意在Bradwell裝華龍一號，正因為它其實就是法國的EPR，和EDF要建的HinkleyPoint是一回事。其實EPR現(xiàn)有的兩座示范工程（分別在芬蘭和法國，Hinkley Point將是第三座）都嚴(yán)重超支并落后進(jìn)度，說不定還得靠中廣核來解決問題，但是中國的高科技還沒有國際聲譽(yù)，行銷時沾些法國人的光也是不得已的辦法。

既然在可見的未來，壓水堆是絕對的主力，那么快堆的意義何在呢？我在前文已解釋過，以液態(tài)金屬為冷卻劑的快堆沒有中子減速劑（其他反應(yīng)堆用水或石墨），工作原理和壓水堆完全不同，不是靠喜歡吸收慢中子的鈾235，燒的是喜歡快中子的鈾238和超鈾元素。

鈾235只占天然鈾的0.7%，快堆顯然在燃料來源上有很大的優(yōu)勢，但是壓水堆有70年的民用和軍用技術(shù)累積，在安全性和經(jīng)濟(jì)性上都成熟得多，所以快堆在中國核能計劃里的地位其實是從核廢料處理而著眼的，也就是所謂的核循環(huán)。

一般壓水堆的燃料棒在兩年內(nèi)就必須更換，然后會因裂變過程中產(chǎn)生的高放射性物質(zhì)（尤其是超鈾元素）的自發(fā)性衰變而持續(xù)大量放熱，這些燃料棒因而成為最難處理的核廢料，必須在冷卻池中儲存很長的時間。***只有6個反應(yīng)爐，尚且頭痛萬分，中國大陸到2030年的反應(yīng)爐數(shù)目將超過境外的總和，廢棄的燃料棒預(yù)計達(dá)到23500噸，而且會以大約為***百倍的速度持續(xù)累積，傳統(tǒng)的儲存方式不但極為昂貴困難，也是對有限的鈾礦資源的一大浪費(fèi)。

目前其他核先進(jìn)國家唯一的改進(jìn)手段是很有限的回收循環(huán)，把用過的燃料棒里所含的鈾235、鈽和其他超鈾元素濃縮制成MOX（Mixed OXide）燃料，然后應(yīng)用到專為MOX修改過的壓水堆。這對鈾資源的應(yīng)用率，提升只有20%，而且產(chǎn)能也極為有限，回收能力最高的法國只有1700噸的年產(chǎn)能，英國有1200噸，日本則有800噸。2015年九月23日，中核宣布將投資1000多億人民幣，引進(jìn)一座法國Areva設(shè)計的年產(chǎn)能800噸回收循環(huán)廠，預(yù)計2020年開工，廠址將在山東、江蘇、浙江、福建和廣東幾省中選擇。

很顯然地，以中國核能發(fā)展之大之快，現(xiàn)有的回收循環(huán)技術(shù)是杯水車薪，所以再進(jìn)一步就是引進(jìn)重水堆。重水堆和壓水堆相當(dāng)類似，主要的不同在于冷卻劑用的是重水而不是一般的水。重水是氫的同位素氘的氧化物，由海水提煉純化而來。氫原子核就是一個質(zhì)子，和中子有很好的彈性散射截面，所以在當(dāng)冷卻劑的同時可以兼做中子減速劑；但是質(zhì)子也會和中子做非彈性反應(yīng)，結(jié)合成氘，所以部分中子被吸收了，連鎖反應(yīng)的總效率因而降低；這正是為什么壓水堆的燃料必須先經(jīng)過濃縮，把鈾235的成分提升到2-5%的原因。改用重水后，氘的彈性散射截面和氫相似，非彈性反應(yīng)（吸收一個中子而成為氚）截面卻小得多，連鎖反應(yīng)效率更高，就無須提升鈾235的濃度，使用天然鈾就可以發(fā)電。

正是因為這個好處，1994年中國還沒有高效的離心濃縮技術(shù)（到2013年六月21日，中核集團(tuán)的蘭州鈾濃縮公司才公開宣布已成功將離心機(jī)工業(yè)化；在此之前，舊式的擴(kuò)散法耗電達(dá)25倍之多），便特別與專長在于重水堆的加拿大原子能公司（Atomic Energy ofCanada Limited，AECL）開始合作，1996年正式簽約，引進(jìn)了兩座CANDU（CANada Deuterium Uranium，加拿大氘鈾；選擇這個縮寫是因為它聽起來和Can Do同音，而“Can Do”是“行/沒問題”的意思）6號反應(yīng)爐，也就是秦山核電站三期工程。

后來發(fā)現(xiàn)重水堆的真正價值在于對燃料不挑剔（不過還沒有到《Back to the Future》里把垃圾丟進(jìn)去就可以發(fā)電的地步），壓水堆用過的燃料不須經(jīng)過前面提到的全回收過程，只要簡單用化學(xué)提煉出鈾就可以推動重水堆，同樣也能提升鈾資源的總應(yīng)用率20%。整個示范工程在2015年七月通過審查，預(yù)計2016年底正式啟用。長程的計劃是引進(jìn)最新的EC6（Enhanced CANDU 6，達(dá)到第三代反應(yīng)器的安全標(biāo)準(zhǔn)）技術(shù)，國產(chǎn)化之后稱為AFCR（Advanced Fuel CANDU Reactor，先進(jìn)燃料重水堆），依每四座壓水堆建一座重水堆的比例，可以更廉價地達(dá)成燃料回收循環(huán)的結(jié)果，而且兩者的效果在理論上可以疊加。

重水堆對燃料不挑剔，燒釷（Thorium）燃料也可以。釷的地表存量是鈾的三倍，印度是主產(chǎn)區(qū)，所以印度的核反應(yīng)爐大多是從加拿大引進(jìn)的重水堆，共有15座。重水堆的另一個用處是生產(chǎn)軍用的鈽239；這是因為它的燃料濃度低，必須經(jīng)常更換，所以產(chǎn)生的鈽239沒有足夠的時間被轉(zhuǎn)化為鈽240。鈽240會自我引爆，是制造鈽基原子彈的最大障礙。雖然重水堆生產(chǎn)鈽239的效率遠(yuǎn)低于快堆，但是印度還是靠著前者累積了足夠的鈽在1974年制造了第一顆原子彈。伊朗也有一座重水堆，依今年七月達(dá)成的協(xié)議（參見前文《與伊朗的核子談判》）必須將它改造為不產(chǎn)鈽的形態(tài)；2015年十月19日，中國國家原子能機(jī)構(gòu)宣布將幫助伊朗進(jìn)行這項改造。

前面提到的回收循環(huán)廠和重水堆，對鈾資源的高效應(yīng)用和核廢料的回收處理，都只有有限的貢獻(xiàn)。真正要把超鈾廢料大幅消化嬗變，還得靠快堆；但是用液態(tài)金屬（如鈉）來做冷卻劑，工程的難度當(dāng)然更高得多。目前快堆技術(shù)最先進(jìn)的是俄國，中國在2009年引進(jìn)了一個實驗堆，預(yù)計2035年才能商業(yè)化，屆時壓水堆用過的第一手燃料經(jīng)簡單分離后，可提供重水堆使用，其后的廢料可由回收循環(huán)廠提煉出MOX，在特別配置的壓水堆和重水堆用第三次，最終最臟的廢料再交由快堆處理，達(dá)成理想中的全循環(huán)。

中國的核能發(fā)展，如同高鐵一樣，引進(jìn)世界眾家之長（即德國的高溫氣冷堆，美國西屋公司的AP系列壓水堆，法國Areva公司的EPR壓水堆和核廢料回收循環(huán)廠，加拿大的CANDU重水堆，和俄國的快堆），快速地發(fā)展出更先進(jìn)更全面的技術(shù)（除前列外來技術(shù)的后續(xù)發(fā)展外，Z箍縮技術(shù)和中核的壓水堆基本是土產(chǎn)的），是后來居上的典范。其與汽車工業(yè)的最大不同，就在于高度集中于中央的計劃與監(jiān)控權(quán)力，強(qiáng)迫那些實際執(zhí)行業(yè)務(wù)的企業(yè)要專注在產(chǎn)業(yè)技術(shù)提升，而不被市場額份和利潤分散了注意力。利伯維爾場永遠(yuǎn)都對大資本和老玩家最為有利，相信絕對自由主義能幫助他們高速發(fā)展經(jīng)濟(jì)的開發(fā)中國家只能是美國宣傳體系的受害者。

熔鹽堆簡介

我在《高溫氣冷堆》一文中介紹了高溫氣冷球床（Pebble Bed）反應(yīng)堆的發(fā)展過程。到了2017年底，中文媒體報導(dǎo)了一些有關(guān)另一種所謂“第四代”反應(yīng)堆的進(jìn)展消息，于是就有讀者發(fā)問，這個“熔鹽堆”是怎么一回事。在此做個簡介。

首先提醒大家，“第四代”這個詞匯是商業(yè)廣告用語，并沒有科學(xué)或工程上的嚴(yán)格定義。詳細(xì)來說，前三代的商用核能電廠不是輕水式（Light Water Reactor，這是相對于含氘的重水，所以輕水其實就是普通含氫的水；輕水式又分為沸水式和壓水式，它們是現(xiàn)役商用核反應(yīng)堆的主流）就是重水式（亦即加拿大的CANDU，參見前文《再談中國的核電發(fā)展》），利用固態(tài)柱狀的鈾或鈽燃料棒浸泡在兼做中子減速劑（Neutron Moderator）和冷卻劑（Coolant）的水中；代與代之間的差別主要在于安全設(shè)計上的改進(jìn)。

而近年來流行的所謂“第四代”，則泛指所有不是輕水式或重水式的不成熟設(shè)計（所以這是又一個商學(xué)院發(fā)明的妙語：明明實際上的特征是還不實用，卻誤導(dǎo)讓人以為是先進(jìn)的意思），它們幾乎沒有例外都在原子能濫觴的40年代就有人提出概念，在50和60年代有原型設(shè)計；之所以到現(xiàn)在還沒有商業(yè)應(yīng)用，是因為在當(dāng)時的商業(yè)化過程中競爭不過輕水式和重水式，被放棄了。

當(dāng)然50多年前被放棄，有多種可能的原因，包括政治選擇、技術(shù)背景、還有先到先得效應(yīng)（FirstMover Advantage）等等，不一定代表著在21世紀(jì)的技術(shù)環(huán)境下仍會是次等的選擇；但是如果反過來，只因為它們被包裝成“下一代”的設(shè)計，就以為它們必然是有優(yōu)越性的，那么失望的可能性當(dāng)然遠(yuǎn)大于成功（精確來說，成功了才是第四代；成功之前只不過是個實驗）。

2017年傳出的中國“熔鹽堆”計劃（TMSR），并不包含詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)，只提到它是由江綿恒博士（上?？萍即髮W(xué)校長）主導(dǎo)推動，將在甘肅先建造2MW的固態(tài)釷（Thorium）基熔鹽堆，然后再視情況演進(jìn)為比較接近實用型的設(shè)計。所謂的固態(tài)釷基熔鹽堆，是把含釷的核燃料做成燃料球（Pebble），以氟基金屬熔鹽為冷卻劑，因此它既是熔鹽堆，也是球床堆。因為它的經(jīng)濟(jì)性相對于現(xiàn)有商用核電站很明顯地不會有優(yōu)勢，在這里它的目的只能是為了獲得釷基核反應(yīng)的一些基本實驗參數(shù)，所以我就不詳細(xì)討論了。

如果我們拿這個2MW的實驗堆和清華發(fā)展高溫氣冷堆的歷史相比，晚了不止20年；既然世界第一座商用級別的高溫氣冷堆正在山東石島灣建設(shè)之中，可以看出熔鹽堆距離實用化還很遠(yuǎn)。

至于未來的商用熔鹽堆會是什么樣子，實在很難說；這是因為釷基的熔鹽堆有幾十種不同的設(shè)計，各有優(yōu)劣。我覺得很可能江校長自己都還沒有確定，要等到上面提到的實驗堆出了結(jié)果，才能決定下一步。本文為了方便討論，我假設(shè)他會選擇目前看來最先進(jìn)的Two Fluid Liquid Fluoride Thorium Reactor（TwoFluid LFTR，雙流氟基熔鹽釷反應(yīng)堆）。

前面提到很多所謂的第四代核反應(yīng)堆的設(shè)計概念，其實在1940年代就有，釷基堆也不例外。它最早是由Eugene Wigner和Alvin Weinberg領(lǐng)導(dǎo)Oak Ridge National Lab的團(tuán)隊在1944年設(shè)想出來。當(dāng)時美國的另一個主要核子研究單位Argonne National Lab由Enrico Fermi和Walter Zinn主導(dǎo)，選擇專注在鈽基的反應(yīng)鏈上。

在二戰(zhàn)結(jié)束后，大家從開發(fā)原子彈的曼哈頓計劃抽身出來，開始研究核反應(yīng)器，最早的大錢來自海軍的核潛艇計劃，這需要很小的體積，所以先合作發(fā)展出功率密度很高的輕水堆；而輕水堆也就很快成為工程上最成熟的設(shè)計。

但是輕水堆有許多缺陷，在當(dāng)時最明顯的包括1）它用鈾235為燃料，不但十分稀缺、濃縮困難，而且裂變反應(yīng)不完全，利用率不高，反而會產(chǎn)生很多放射性極高的超鈾元素廢料；2）它使用柱狀固態(tài)燃料棒，必須承受大量中子轟擊，而且氣態(tài)的裂變產(chǎn)物會產(chǎn)生氣泡，所以會隨時間而弱化，必須時常更換；3）更換下來的燃料棒有極高的放射性，不論是回收或掩埋都很困難。

于是在輕水堆還沒有成功的1951年，Argonne的團(tuán)隊就先建成了以液態(tài)金屬為冷卻劑的快滋生反應(yīng)堆（因為液態(tài)金屬對中子沒有什么減速的效果，快中子可以照射到放在反應(yīng)器周邊的鈾238，把它轉(zhuǎn)化成鈽239，參見《再談中國的核電發(fā)展》）；而Oak Ridge則在1952年建成HRE-1，成為世界第一個使用液態(tài)燃料的反應(yīng)堆，不過這用的是氟化鈾溶解在水里，一直到1959年，才改為氟基熔鹽。

輕水堆適用在核潛艇，快堆則可以量產(chǎn)核彈頭用的鈽，兩者都獲得了充足的美國政府投資；熔鹽堆為了爭取公款，只好也想辦法往軍事用途上靠。剛好熔鹽堆有可能做出比輕水堆還要高的功率密度，于是就搭上空軍的核動力轟炸機(jī)計劃；雖然沒有做出結(jié)果，但是這筆錢最后容許Oak Ridge在1965年做出為民用發(fā)電而設(shè)計的Molten Salt Reactor Experiment（MSRE，熔鹽堆實驗，熱功率7.4MW）。

然而在那之后，United States Atomic EnergyCommission（AEC，美國原子能委員會）決定集中資源發(fā)展快堆的民用型號，并在1973年開除了Alvin Weinberg（主要因為他公開批評快堆不夠安全，不適合商用推廣），熔鹽堆從此完全退出主流，一直到21世紀(jì)，全球暖化引發(fā)核電的新潮流，才有人重新考慮建造熔鹽堆。

因為MSRE就是人類所建造過的最后一個熔鹽堆原型，我們目前所知比較靠譜的最先進(jìn)設(shè)計正是Oak Ridge團(tuán)隊所計劃的下一代藍(lán)圖，亦即前面提到的LFTR。LFTR又分單流、雙流和單雙混合三種，其中以雙流最干凈、效率最高。它的核心是處于熔融狀態(tài)的鈾233氟鹽，外層則是熔融的釷232氟鹽；兩者的環(huán)路是分開的，所以叫做雙流。

鈾233是最理想的裂變?nèi)剂?，不但效率很高，而且產(chǎn)生的放射性廢料最少；它的問題在于自發(fā)半衰期太短，而鈾礦是地球誕生時從以往超新星爆炸繼承得來，40多億年下來鈾233早已衰變盡凈。剛巧釷232是一個很穩(wěn)定而普遍的同位素，吸收一個熱中子（Thermal Neutron）之后成為鏷（Protactinium） 233，然后經(jīng)過自然β衰變成為鈾233。雙流LFTR外層的釷鹽就是負(fù)責(zé)吸收核心裂變泄漏出來的中子，用來滋生燃料。

雙流LFTR的燃料循環(huán)

一旦釷232轉(zhuǎn)化成鈾233，后者必須被提煉出來，移交給反應(yīng)器的核心環(huán)路。這里是熔鹽堆最妙的工程細(xì)節(jié)，也是為什么熔鹽堆特別適合釷基的核反應(yīng)：因為鈾有兩種氟化物，在工作溫度（600-1000°C）下四氟化鈾是液體，六氟化鈾卻是氣體，只要在熔鹽里打入氟氣，四氟化鈾自然變成六氟化鈾而分離出來，所以一般必須在嚴(yán)格放射性防護(hù)下運(yùn)送到再處理工廠來做的化學(xué)分離，熔鹽堆可以簡單地在現(xiàn)場（In Situ）完成。同樣的，負(fù)責(zé)做真正核裂變反應(yīng)的核心環(huán)路也可以通過現(xiàn)場加氟，來把還未用掉的鈾233燃料和廢料分離開來。

總結(jié)來說，熔鹽堆理論上可以一次解決前面提到的三大輕水堆毛病。然而LFTR從來沒有被建造過，所以幾乎可以確定會有它自己獨(dú)特的難題（就像張無忌要練乾坤大挪移第七層，既然設(shè)計者自己都沒練過，就必然會有設(shè)想錯誤之處）。例如核心與周邊環(huán)路之間必須有隔墻，這個隔墻還必須有中子減速的功能，因此當(dāng)年Oak Ridge團(tuán)隊計劃用石墨來建造。我在討論核聚變的時候，曾經(jīng)強(qiáng)調(diào)高能中子對墻壁會有很強(qiáng)的破壞作用，這里也是一樣的；如何在放射性環(huán)境下定期更換石墨墻，絕對不是一件簡單的事。

當(dāng)然，熔鹽堆的石墨墻比核聚變的真空腔壁要小得多、也便宜得多，所承受的中子流要弱得多，也沒有高溫等離子體的沖擊問題，所以并不是完全不可能解決的。

我想讀者看到這里，應(yīng)該可以理解早先我為什么說中國的熔鹽堆未來的發(fā)展方向還不能確定。這個技術(shù)實在太不成熟，至少還要20年才會達(dá)到建造商用原型的地步。它有它的優(yōu)點(diǎn)，但是也必然會有工程上的重大困難。最終它能否與其他的核反應(yīng)堆競爭，目前不可能準(zhǔn)確預(yù)測。我以前曾經(jīng)估計過，高溫氣冷堆有商業(yè)性成功的機(jī)率在10%那一級，熔鹽堆大約也在同一級別；這已經(jīng)值得國家投資了，但是我們不必也不應(yīng)該過度樂觀。