钍燃料发电

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钍燃料发电是以钍元素经核分裂反应产生铀-233，以产生能量的发电方式。其能否取代铀、钚（钚）等核燃料作发电用途为科学界关注的议题。叶恭平博士支持钍燃料发电，认为其优点是钍的蕴藏量较多、燃料装造较简易、产生较少核废料、不易制成武器，而且钍裂变发电较有效率等。

发展一个干净及安全的核子动力是一个备受重视的目标。根据科学期刊"Environmental Science & Technology"的说法，钍燃料发电可以提供一个超过1000年的能源，并可舒缓人类对环境的破坏。

核子科学家拉尔夫·W·莫尔（Ralph W. Moir）和爱德华·泰勒（Edward Teller）在研究了使用钍的可行性后，建议重新启动停顿了三十年的钍核研究，并建造一个小型原型工厂。1999 年至 2022 年间，世界上运行的钍反应器数量从零增加到屈指可数的研究反应炉。印度、中国、挪威、美国、以色列及俄罗斯皆在某种程度上发展液态氟化钍反应炉（LFTR）及熔盐反应炉。

## 背景

二战后兴建了不少铀燃料发电站，它们的设计与用作制备核武器的核反应堆相似。美国也曾经在橡树岭国家实验室兴建一个钍燃料熔盐反应炉，于1965年至1969年运作。在1968年，钚元素的发现者格伦·西奥多·西博格身为美国原子能委员会的主席，向委员会宣布钍燃炓反应炉已成功通过试验：

So far the molten-salt reactor experiment has operated successfully and has earned a reputation for reliability. I think that some day the world will have commercial power reactors of both the uranium-plutonium and the thorium-uranium fuel cycle type.

到目前为止，熔盐反应炉实验已取得成功，并具有一定可靠性。我相信有朝一日商业钍燃炓反应炉会像铀燃炓反应炉推广至全世界。

但在1973年，美国政府突然叫停所有与钍燃料发电有关的实验，理由为铀燃料增殖反应炉更有效率，其副产品也可用作制造武器。根据爱德华·泰勒等人的意见，完全停止此计划是一个错误。

在计划停止以后，很多现今的科学家似乎都不太关注钍燃料发电。周刊化学化工新闻指出很多人对（包括科学家）钍的认识不深，因此一个得到核反应技术博士学位的人是有可能不知道钍燃料发电的。核物理学家Victor J. Stenger说：

It came as a surprise to me to learn recently that such an alternative has been available to us since World War II, but not pursued because it lacked weapons applications.

我最近才知道钍燃料这个代替品，使我十分惊奇。它自二战后便得到发展，但却因缺乏武器用途而被摒弃。

## 潜在优点

世界核能协会如此评论钍燃料发电：

The thorium fuel cycle offers enormous energy security benefits in the long-term – due to its potential for being a self-sustaining fuel without the need for fast neutron reactors. It is therefore an important and potentially viable technology that seems able to contribute to building credible, long-term nuclear energy scenarios.

钍燃料循环提供一个庞大的能源安全的利益，它无需快中子反应炉便可成为一个自我持续的燃料。钍燃料发电是一项有潜质的技术，有望为现今的核能发电创造另一番新景象。

钍燃料发电有以下潜在优点：

- 钍的蕴藏量为铀的4倍，与铅一样普遍。钍能源联盟估计若美国的用电量不变，该国的钍蕴藏量足够供电超过1000年。每日电讯报提到，美国在勘探稀有金属资源时埋掉了大量的钍。挪威和英国也有大量的钍矿。矿藏中绝大部分是可用的钍-232，但铀之中只有0.7%是可用的铀-235。钍矿可以供应数千年的电力。
- 钍是一种较洁净和较安全的核燃料，它的放射性大大低于铀。“一块钍不会比一块肥皂更危险。”
- 液态氟化钍反应炉（LFTR）的设计使它成为一个安全的核反应炉。Flibe Energy创始人之一Kirk Sorensen指出：【LFTR在常压中运作，因此像福岛第一核电厂事故般发生氢气爆炸是不可能的。它也不会有辐射泄漏。”而反应炉出现异常时核裂变会自动停止，因此也不会有炉心熔毁的情况发生。】
- 利用钍废料去制造核武几乎是不可能的。核物理学家Alvin Radkowsky说：钍反应炉产生的钚少于一般反应炉的钚的2%，当中又有很多钚同位素是不适合作核武用途的。
- 钍反应炉制造更少的核废料，因此它们无需大量、长时间地加以保存。中国科学家声称有害钍废料少于铀废料1000倍。钍废料在数百年后变得安全，但铀废料则要等数万年。
- 运作中的钍反应炉除了钍外无需其他燃料，它是自我持续的。钍也是不可分裂物质，因此它可与铀、钚等可裂变物质合用作核燃料。
- 与轻水反应炉比较，LFTR无需在高压环境下运作，因此它造价较廉宜、体积亦小1000倍。LFTR使用熔盐，处理工序较燃料棒简单和低成本。
- 欧洲核子研究组织的卡洛·鲁比亚估计1吨钍产生的电量相等于200吨铀或3,500,000吨煤。

科学期刊"Environmental Science & Technology"指出：

A LFTR program could be achieved through a relatively modest investment of roughly 1 billion dollars over 5–10 years to fund research to fill minor technical gaps, then construction of a reactor prototype, and finally a full-scale reactor. Many of the engineering and technological problems of the ORNL program have already been solved through non-nuclear research, including liquid fluorides, resistant metal cladding, and high-temperature turbines.

LFTR计划值得在5至10年中投资10亿，用以解决剩余的微小技术问题，建造一个反应炉原型，最后造一个正式的核电厂。不少二战时未能解决的工程和技术上的疑难都已被解决，包括液相氟化钍、耐用的金属覆层、高温涡轮等。

## 潜在缺点

钍燃料发电有以下潜在缺点：

- 反应炉需要钚和铀来引发裂变反应。
- 热中子的增殖较缓慢及需要大规模的核燃料再处理，而再处理的可行性乃是未知之数。
- 其研究、分析工作需要大量的资金，依赖政府及民间厂商的支持。
- 不能完全解决核废料被利用作核武的问题。
- 核废料仍然有辐射存在。

## 近期钍燃料发电研究

已进行或正在进行钍燃料发电研究的国家有英国、美国、巴西、德国、印度、法国、中国、捷克、日本、俄罗斯、加拿大、以色列、荷兰等。

### 加拿大

CANDU 反应器能够使用钍，加拿大钍电力公司 (Thorium Power Canada) 于 2013 年规划并提议为智利和印尼开发钍电力专案。智利拟建的 10 兆瓦示范反应器可为日产 2,000 万升的海水淡化厂提供动力。2018 年，新不伦瑞克省能源解决方案公司 (New Brunswick Energy Solutions Corporation) 宣布Moltex Energy加入核子研究集群，致力于小型模组化反应器技术的研发。

### 中国

2011年初，中国宣布一系列研究钍燃料发电的计划。江泽民的长子江绵恒曾带领代表团到橡树岭国家实验室参与一个关于钍燃料发电的不公开演讲。世界核能协会指出中国科学院在2011年1月发布其科研方案并声称中国为对此项目最有贡献的国家，因此希望拥有全部知识产权。

2012年早期，有报告指出中国使用西方及俄罗斯的零件、400名劳工及投资4亿，计划在2015年建好两座熔盐反应炉的原型。中国亦与一间加拿大的核能科技公司达成协议，计划改善CANDU反应炉的设计，它将会以钍、铀为燃料。

2013 年底，中国正式与橡树岭国家实验室建立合作关系，以协助中国进行自主研发。

据报道，中国中央政府将斥资220亿元人民币（33亿美元）用于开发将在甘肃省武威市建造的两座2兆瓦级的液态燃料钍基熔盐实验堆，由中国科学院上海应用物理研究所自主设计并营运，在2023年6月获得运行许可。另外报道，中国人民解放军海军对此技术为其军舰和航空母舰提供动力表现兴趣。

中国科学院上海应用物理研究所学术委员会主任徐洪杰，他的研究领域是核能技术，最新的成就是“钍基熔盐堆核能系统”，其组织的研究团队，在较短时间内有了重大技术突破，2023年成功地在甘肃省武威市民勤县，建了首个“液态燃料钍基熔盐实验堆”。

### 印度

印度正在开发的反应炉大多是钍燃料发电的，目前有62座，目标是在2025年启用。现今印度的电力来源大多都是进口煤和石油，反应炉可令印度由3%核能发电升至25%。2009年，印度原子能委员会主席指出印度会以其钍资源达致能源独立为长远目标。

2012年6月，印度宣布其第一个商业快中子反应炉已接近完工，印度原子能委员会前主席指出印度已有大量的钍矿，目前的难关为要发展将钍转化做核燃料的技术。

### 印尼

印尼能源与矿产资源部下属机构 P3Tek 已对Thorcon 公司建造的钍熔盐反应器TMSR-500 进行了评估。研究报告称，建造 ThorCon 公司建造的TMSR-500 反应器将符合印尼的核能安全和性能法规。

### 以色列

2010 年 5 月，以色列内盖夫本·古里安大学和纽约布鲁克黑文国家实验室的研究人员开始合作研发钍基反应器，其增殖比将略高于 1，这项特性只有在使用铀 233 燃料的轻水反应器中才能实现。

### 挪威

2012年后期，一家私人企业Thor Energy与政府、Westinghouse Electric Company公布他们会在其中一座反应炉进行一个为期4年的钍燃料试验。Thor Energy首席技术长说：“我们不会经常为能源工业的事务感到兴奋，但此计划实在是一项非常值得兴奋的计划，我们已准备充足。”

### 美国

在2012年1月有报告指出美国有熔盐反应炉的计划。同月又有报告指出她正秘密与中国合作，建造钍燃料熔盐反应炉。有专家和政治家希望钍燃料发电能成为国家的支柱之一。

希平港原子能发电站的首席设计师Alvin Radkowsky在1997年发起了一个联同俄罗斯的计划，要兴建一座钍燃料反应炉，认为是一个创新的突破。而一间以兴建钍燃料反应炉为目标的公司──Thorium Power Ltd──早已在1992年成立。

### 日本

在2012年6月，中部电力仍在收复2011年熔毁的三座反应炉，它指出钍是未来中部电力营运的滨冈核电厂可能会采用的燃料。

### 英国

英国也有发展钍燃料发电的呼声。可是，英国国家核实验室发表有关钍燃料循环旳报告，指出钍燃料发电的技术不成熟，在现今并无立足之地，评论有关技术是需要大量资金，风险高但回报不明的，它被人过分夸张。英国地球之友则认为钍燃料发电的研究是有用的。

## 已知钍资源

钍主要存在于稀土磷酸盐矿物独居石中，独居石的磷酸钍（Thorium phosphate）含量最高可达12%，平均含量为6-7%。全球独居石资源量估计约1,200万吨，其中三分之二位于印度南部和东部沿海的重矿砂矿床。其他几个国家也拥有丰富的钍矿床（请参阅“世界钍储量”表）。独居石是稀土元素（REE）的良好来源，但目前生产独居石并不经济，因为作为副产品产生的放射性钍需要无限期储存。然而，如果大规模采用钍基发电厂，那么只需提炼独居石以获得更有价值的稀土元素，几乎可以满足全球所有的钍需求。

2016年世界各地的钍资源如下：

Country｜Tons｜%

印度｜846,000｜13.31%

巴西｜632,000｜9.94%

澳洲｜595,000｜9.36%

美国｜595,000｜9.36%

埃及｜380,000｜5.98%

土耳其｜374,000｜5.89%

委内瑞拉｜300,000｜4.72%

加拿大｜172,000｜2.71%

俄罗斯｜155,000｜2.44%

南非｜148,000｜2.33%

中国｜100,000｜1.57%

挪威｜87,000｜1.37%

格陵兰｜86,000｜1.35%

芬兰｜60,000｜0.94%

瑞典｜50,000｜0.79%

哈萨克｜50,000｜0.79%

其他国家｜1,725,000｜27.14%

World Total｜6,355,000｜100.0%

2025年3月，中国发现100万吨钍，取代印度成为拥有最多钍矿的国家。

## 钍基反应炉种类

根据世界核能协会，有七种类型的反应器可以使用钍燃料。其中六种已投入使用：

- 重水反应炉（PHWR）
- 先进重水反应炉（AHWR）
- 水性均相反应炉（AHR）被提议作为流体燃料设计，可以接受悬浮在重水溶液中的天然铀和钍。目前已建造了 7 座 AHR，根据国际原子能总署的反应器数据库，其中 7 座作为研究反应器正在运作。
- 沸水（轻）反应炉（BWR）
- 压水（轻）反应炉（PWR）
- 熔盐反应炉（MSR），包括液态氟化钍反应炉（LFTR）。
- 熔盐增殖反应炉（MSBR）使用钍来增殖更多易裂变材料。
- 高温气冷反应炉（HTGR）
- 快中子反应炉（FNR）
- 加速器驱动次临界反应炉（ADS）

## 外部链接

- "Energy From Thorium: A Nuclear Waste Burning Liquid Salt Thorium Reactor" , video, 1 hr. 22 min., Kirk Sorensen's presentation at Google's Tech Talk, July 20, 2009
- Uranium Is So Last Century — Enter Thorium, the New Green Nuke Wired Magazine article
- Thorium Energy Alliance - advocacy and educational organisation dedicated to thorium energy
- International Thorium Energy Organisation
- Energy from Thorium - website about LFTR with a blog, ORNL molten salt reactor program reports, research papers repository and discussion forum
- International Thorium Molten-Salt Forum