液态燃料钍基熔盐实验堆

液态燃料钍基熔盐实验堆（TMSR-LF1，全称2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆）是位于中华人民共和国甘肃省武威市民勤县（38.9602 102.6122）的使用钍燃料发电的熔盐堆，该核反应堆为实验性质，属第四代核反应堆，功率为2兆瓦。

## 七二八工程

20世纪六十年代末，中国科学院开始考虑使用钍开发熔盐反应堆。

20世纪七十年代初，为缓解工业化石燃料需求超过国内供应所造成的能源危机，中国启动了728工程，旨在发展核能。其最初目标是建造一座25兆瓦的核电站，该电站以美国橡树岭国家实验室（ORNL）20世纪60年代的熔盐反应堆实验（MSRE）为基础。中国科学院上海应用物理研究所参加七二八工程并先后建成了熔盐堆零功率冷态实验堆和轻水零功率实验堆，并非用于发电。然而，由于20世纪70年代中国的技术、工业和经济状况，进一步的进展受到阻碍，最终务实地决定转而发展压水反应堆（PWR）。

## 再次启动钍基熔盐堆

然而，压水堆的建设并没有消除中国对熔盐反应堆技术和钍增殖的兴趣。

由于国内铀矿储量相对有限，中国的核电生产严重依赖进口铀，这在遭受经济制裁等情况下构成战略上的脆弱性。自20世纪70年代以来，中国的煤炭使用量也急剧增加，随之而来的是严重的空气污染，影响了大量民众的健康。寻找更清洁的能源成为一项紧迫的政治问题（注：中国现代非水力可再生能源的开发成熟较晚；压水堆核电站1994年发电量超过14太瓦时，而中国风力发电直到2009年才达到这一水平，太阳能发电直到2014年才达到。中国水力发电量几十年来一直在稳步增长，但直到2000年左右才开始快速扩张）。一些地区的建设也存在困难；黑河-腾冲线以西地区冷却水资源相对匮乏，被认为是限制该地区建设压水堆的限制因素（参见中国核电站分布图）。因此，中国对非压水堆核能的需求日益增长。

20世纪70年代，全球钍储量估计约为100万吨，而中国当时并不被认为拥有特别丰富的钍矿藏。20世纪80年代，中国的稀土产业开始蓬勃发展；稀土是众多中国制造的高科技设备所必需的。到20世纪90年代初，中国已生产了全球大部分稀土，并在90年代末几乎实现了垄断。作为采矿和提炼的副产品，中国还产生了远远超过任何非核需求的钍。到2009年，人们注意到中国正在储存钍，以备未来核能用途。

与此同时，由于中国制造熔盐反应堆实验堆的失败尝试仍然令资深研究人员记忆犹新，大量关于如何实际制造熔盐反应堆实验的信息意外地出现了：柯克·索伦森（Kirk Sorensen）获得了许多重要的 ORNL 历史研究技术文件的副本，为了提高人们对钍和熔盐反应堆实验堆技术的认识，他将这些文件数字化，并从2006年开始在他的网站上公开提供。

这些新情况促使人们重新审视728工程的最初计划。2009年成功完成中国第三代同步辐射光源上海同步辐射光源项目后，其建设负责人徐洪杰(Xu Hongjie)被中科院委派了一项新任务：推进中国能源政策和可持续发展目标，为先进的核裂变能源计划奠定基础。在组建团队、查阅相关文献并确定研究课题后，一份以钍熔盐反应堆为重点的计划提交中国科学院审批。

## 项目启动

2011年1月，中国科学院启动了三相蒸汽堆（TMSR）研发项目，研发一种采用空气冷却等先进技术的反应堆。据报道，该项目的初始预算为30亿元人民币（当时约合4.44亿美元；按2025年汇率计算约为6.35亿美元）。该项目由徐洪杰领导，由中国科学院上海应用物理研究所（SINAP）负责，建立相关产业链与科研队伍，并在上海嘉定区建立了熔盐反应堆实验堆（MSR）研究设施。

2012年，上海举办了钍能源会议，由中国科学院上海应用物理研究所（SINAP）协办；徐洪杰和蒋绵恒等学者在会上发表了演讲。会议期间，阿尔文·M·温伯格（Alvin M. Weinberg）的自传《第一个核能时代：一位技术修复者的生平与时代》（The First Nuclear Era: The Life and Times of a Technological Fixer）被翻译成中文，并分发给与会者。温伯格（Alvin M. Weinberg）曾在熔盐实验堆(MSRE)项目期间担任橡树岭国家实验室（ORNL）主任。

到2014年，中国燃煤造成的雾霾已经恶化（例如2013年中国东北雾霾和2013年中国东部雾霾），以至于 TMSR 的工程师被告知要加快反应堆上线的进程，将原计划的工期从25年缩短到10年。

2015年，中国科学院上海应用物理研究所与橡树岭国家实验室(ORNL) 签署了一项为期十年的合作研究与开发协议 (CRADA)，以进行与 MSRE 及相关核能创新相关的技术转让。

美国政府 2018 年发布的《美国对中国民用核能合作的政策框架》中，明确限制与美国有直接经济竞争的涉及“华龙一号”“国和一号”(CAP1400)以及相关先进反应堆的合作，钍基熔盐堆中美合作研究与交流完全中止。

截至2019年，白云鄂博矿区被认定为大型钍矿床，中国至少拥有10万吨钍储量。近期在白云鄂博的勘探发现了更多大型钍矿床：截至2025年已探明储量达22万吨，总储量估计超过100万吨。目前，中国钍矿总储量估计为140万吨。据估计，这足以满足中国6万年的能源需求。

## SF0

TMSR-SF0于2019年在上海应用物理研究所开始建设，并于次年开始运行，它一个电加热（非裂变）模拟器，旨在辅助开发拟议的 TMSR“SF”（固体燃料，计划为TRISO，仅使用熔盐进行冷却）分支，并积累更广泛的熔盐运行经验。并建设电子加速器白光中子源、泵与换热器测试平台、热工流体力学平台等一系列工程验证设施。这些平台重点验证熔盐泵运行、非能动余热排出、水氧含量控制、工艺流程控制和关键设备集成运行等技术，为实验堆设备可靠性、安全分析和运行方案优化提供了基础数据。SF0 具有两个液态FLiNaK热传输回路。

## 液态燃料钍基熔盐实验堆(TMSR-LF1)

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液态燃料钍基熔盐实验堆(TMSR-LF1 Liquid Fuel Thorium-based Molten Salt Experimental Reactor）是一座2兆瓦吨的熔盐反应堆原型堆。2017年4月，甘肃省武威市政府与中国科学院签订合作协议，于民勤县展开钍基熔盐堆核能系统项目的研究与建设，位于甘肃省民勤县红砂岗工业集聚区，南侧紧邻纬七路、东侧紧邻东环路。“LF”（液态燃料）设计直接基于20世纪60年代的熔盐反应堆（MSRE）。TMSR-LF1的选址位于一个化工和能源产业园区内，地处人口稀少、干旱地区（参见下文“位置说明”部分）。场地建设始于2018年。设备安装于2022年完成。2023年10月11日首次达到临界状态。2024年6月17日实现满功率（2MWt）运行。2024年末向反应堆注入钍后，检测到镤-233，表明核增殖成功。

中国科学院上海应用物理研究所（SINAP）副院长蔡向洲强调了中国在不依赖外国实体的情况下自主研发该技术的能力，他指出：“LF1反应堆90%以上的部件都是国产的，关键部件实现了100%国产化，供应链完全独立。这一成就标志着中国钍熔盐反应堆技术产业生态系统的初步建立。” 中国原子能科学研究院院长戴志敏表示，研究院将与包括国家电力投资公司在内的能源企业合作，“构建钍熔盐反应堆的综合产业链生态系统。”

2023年6月7日，中国国家核安全局颁发了该项目的运行许可，准许其进行装料、调试和试运行。同年10月11日，TMSR-LF1首次达到临界状态。2024 年6月17日实现满功率（2MW t）运行，10月8日，在熔盐中含钍的情况下满功率运行了 10 天；检测到钍-232在强中子辐照下吸收了中子后的镤-233，表明核增殖成功。2024年10月，完成世界上首次熔盐堆公斤级加钍实验，成为目前世界上唯一运行的钍基熔盐堆（综合实验平台）。

### TMSR-LF1设计

TMSR-LF1熔盐实验堆的一回路压力极低（接近常压），压力容器不需要像压水堆或高温气冷堆那样厚重，但对材料的耐腐蚀要求极高。

- 实验堆的容器相对较小，其堆芯高度约4米，直径约3米左右。
- 核心材料采用国产自主研发的UNS N10003（或称Hastelloy N 合金，含有约16%钼(Mo)、7%铬(Cr)和余量的镍(Ni)，为了阻止了核裂变产物碲的渗透，在合金中加入微量的铝 (Al)、钛 (Ti) 或 铌 (Nb) 进行改性，并在合金表面形成微纳米级的保护层，年腐蚀速率<10um/年）。这种高镍钼合金专门用于抵御高温氟化盐的腐蚀，最高耐受温度850摄氏度，挑战：合金在强中子辐照下的脆化问题，以及核能制氢需要的900度高温。
- 运行压力通常小于0.5MPa，容器壁厚远小于普通核反应堆
- 反应堆内部充满石墨反射层和慢化剂。燃料盐（LiF-BeF2-ThF4-UF4）在石墨缝隙中流动并发生核反应。
- 研发成功中国首款熔盐堆专用的细颗粒核石墨 NG-CT-50，常规性能评估显示其满足熔盐堆需求，防熔盐浸渗性能优于进口核石墨。建立了国产核石墨常规性能数据库，直接推动了熔盐堆专用核石墨国际规范的建立。
- 燃料在线分离与处理技术
- 气态裂变产物移除，通过喷淋或吹泡技术，利用氦气将溶解在盐中气态裂变产的氙-135(会大量“吞噬”中子，降低反应效率)、氪、氚等惰性气体带走。
- 燃料增殖与提取（钍-铀循环的关键）：氟化挥发法 (Fluoride Volatility)，这是中国 TMSR 项目的核心工艺。通过通入氟气，将熔盐中的四氟化铀 (UF4) 转化为易挥发的六氟化铀 (UF6) 气体。
- 载体盐净化与废物分离
- 真空蒸馏法 (Vacuum Distillation)：在高温真空条件下，将清洁的载体盐（锂、铍、氟盐）蒸发冷凝回收，而将裂变产生的稀土元素等“废渣”留在底部。
- 电化学分离：针对难以蒸发的金属杂质，利用熔盐电解技术，将废料有针对性地沉积在电极上。
- 自主研制高温熔盐用主泵、换热器等关键装备
- 运行温度，反应堆容器设计出口温度在630-700摄氏度之间。
- 换热，高温熔盐（约700摄氏度）流出堆芯，通过换热器将热量传导给二回路的非放射性熔盐，最终产生高温蒸汽。
- 采用外部中子源启动

### 重要文件列表

文件名称｜文件编号｜发布机关｜发布日期

关于颁发2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆运行许可证的通知｜国核安发〔2023〕100号｜国家核安全局｜2023年6月7日

关于2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆环境影响报告书（运行阶段）的批复｜环审〔2023〕46号｜生态环境部｜2023年6月7日

关于批准《2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆建造阶段质量保证大纲》（V2.4）的通知｜国核安发〔2022〕150号｜国家核安全局｜2022年8月11日

关于批准《2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆调试大纲》（V1.3版）的通知｜国核安发〔2022〕146号｜国家核安全局｜2022年8月2日

关于颁发2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆建造许可证的通知｜国核安发〔2020〕20号｜国家核安全局｜2020年1月13日

关于2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆环境影响报告书（建造阶段）的批复｜环审〔2019〕149号｜生态环境部｜2019年11月29日

关于同意开展2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆相关核安全设备活动的复函｜国核安函〔2019〕55号｜国家核安全局｜2019年7月31日

关于颁发2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆场址选择审查意见书的通知｜国核安发〔2018〕322号｜国家核安全局｜2018年11月30日

关于2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆环境影响报告书（选址阶段）的批复｜环审〔2018〕121号｜生态环境部｜2018年11月26日

关于钍基熔盐实验堆以Ⅱ类研究堆开展前期工作有关问题的复函｜国核安函〔2015〕128号｜国家核安全局｜2015年11月26日

## TMSR-LF2

钍基熔盐堆能源系统（TMSR）制定了实验堆、研究堆、示范堆三步走发展战略。

计划在同一地点建设十兆瓦电功率（10MWe）小型模块化钍基熔盐研究堆（设计最大热功率60MWt），升级干法分离研究装置为核心的钍基燃料盐研究系统及配套设施，该项目预计2025年年内破土动工，2030 年首次临界并满功率运行为目标推进工作。新反应器的规格包括：3米高、2.2米宽的核心石墨、700°C的工作温度、60兆瓦的热输出，以及一个基于超临界二氧化碳的实验性闭式循环燃气涡轮机，可将热输出转换为10兆瓦的电能。此反应器的输出也将用于高功率、高辐照工况下钍基熔盐堆科学问题与关键技术的工程热验证，以及展示透过高温水分解来生产氢气（“紫氢”）。

2026年3月，小型模块化钍基熔盐堆研究设施--研究堆、燃料盐研究系统配套建安工程（设计）中标结果公布，中标单位为上海核工程研究设计院股份有限公司，中标价约2130万元。5月10日前，完成详细施工建设图。预计2026年年内开工建设。

## TMSR-LF3

10兆瓦工程完工后，计划于2035前建设具有全流程电化学后处理能力100兆瓦的商用小型模组化示范堆（TMSR-LF3）。一项名为smTMSR-400的提案规定，其热容量为400兆瓦，发电量为168兆瓦当量。反应炉可能建在中国中部和西部地区，也可能建在中国境外的一带一路沿线国家；作为低碳发电厂，它们将有助于实现中国政府2060年碳中和的目标。

## 未来概念

可发展出多个堆型分支，包括小型模块化钍基熔盐堆、固态燃料熔盐冷却堆、同位素生产堆和钍铀增殖堆等。其应用场景不仅包括高效电力供应，也包括工业高温热应用、化工过程供热、综合能源利用、船舶或特殊载具能源供应，以及医用和工业同位素生产。

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提取氚作为核聚变原料：在钍基熔盐堆（TMSR）中，氚（Tritium, H3）的产生是一个核心的技术挑战，因为它的产量比传统的轻水堆（LWR）高出约 50 到 100 倍。主要来源：熔盐堆通常使用 FLiBe（LiF-BeF2）作为冷却剂。其中的锂（Li）的同位素中子反应后是产生氚的最主要供体；氚具有极强的渗透性。它能穿透金属热交换器的管壁，进入二回路甚至排放到环境中。

2025 年中证鹏元资信评估股份有限公司还列出了 TMSR 技术的另外两个潜在应用：为ITER规模化的核聚变项目提供大量（每年数千公斤）氚源；以及“深空和行星表面能源”：在太空中产生 1 MW的核电，同时还能产生700°C 以上的工艺热。对于登月任务，所用盐将利用月壤在月球上制取；收集到的月球水将利用硫碘循环进行分解，生成氢气和氧气，用作返回地球 的火箭推进剂。

## 其它研究

2018年后，在可预见的未来，美国极不可能继续与中国就钍基熔盐堆（TMSR）开展联合研究。尽管橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）与上海应用物理研究所（SINAP）之间曾签署过一项合作研发协议（CRADA），但由于地缘政治紧张局势加剧以及美国实施了严格的出口管制，这一合作伙伴关系实际上已被切断。

目前，美国正通过私营企业专注于国内熔盐堆技术的研发，而非与中国开展国际合作，其它国家很多公司也在积极开展研究：

- 美国 Kairos Power 公司正在橡树岭（Oak Ridge）建造“Hermes”盐冷试验堆，其厂址距离原熔盐反应堆（MSRE）的运行地点不远。2023年12月，美国核管理委员会向凯罗斯公司颁发了“赫尔墨斯”的建造许可证，使其成为50多年来美国首个获准建造的非轻水反应堆。
- 美国TerraPower 公司，比尔·盖茨支持，此前曾与中国达成合作协议，后因故被迫终止，2024年起正在怀俄明州开发“Natrium”反应堆示范项目。
- 加拿大的Terrestrial Energy公司。
- 丹麦的哥本哈根原子能公司，该公司正在开发100兆瓦热功率的钍熔盐反应堆，计划于2030年投入使用。
- 印度尼西亚的 ThorCon International公司 2025年8月 获得了其ThorCon 500熔盐反应堆的第一阶段审批。