液態燃料釷基熔鹽實驗堆

液態燃料釷基熔鹽實驗堆（TMSR-LF1，全稱2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆）是位於中華人民共和國甘肅省武威市民勤縣（38.9602 102.6122）的使用釷燃料發電的熔鹽堆，該核反應堆為實驗性質，屬第四代核反應堆，功率為2兆瓦。

## 七二八工程

20世紀六十年代末，中國科學院開始考慮使用釷開發熔鹽反應堆。

20世紀七十年代初，為緩解工業化石燃料需求超過國內供應所造成的能源危機，中國啟動了728工程，旨在發展核能。其最初目標是建造一座25兆瓦的核電站，該電站以美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）20世紀60年代的熔鹽反應堆實驗（MSRE）為基礎。中國科學院上海應用物理研究所參加七二八工程並先後建成了熔鹽堆零功率冷態實驗堆和輕水零功率實驗堆，並非用於發電。然而，由於20世紀70年代中國的技術、工業和經濟狀況，進一步的進展受到阻礙，最終務實地決定轉而發展壓水反應堆（PWR）。

## 再次啟動釷基熔鹽堆

然而，壓水堆的建設並沒有消除中國對熔鹽反應堆技術和釷增殖的興趣。

由於國內鈾礦儲量相對有限，中國的核電生產嚴重依賴進口鈾，這在遭受經濟制裁等情況下構成戰略上的脆弱性。自20世紀70年代以來，中國的煤炭使用量也急劇增加，隨之而來的是嚴重的空氣污染，影響了大量民眾的健康。尋找更清潔的能源成為一項緊迫的政治問題（註：中國現代非水力可再生能源的開發成熟較晚；壓水堆核電站1994年發電量超過14太瓦時，而中國風力發電直到2009年才達到這一水平，太陽能發電直到2014年才達到。中國水力發電量幾十年來一直在穩步增長，但直到2000年左右才開始快速擴張）。一些地區的建設也存在困難；黑河-騰衝線以西地區冷卻水資源相對匱乏，被認為是限制該地區建設壓水堆的限制因素（參見中國核電站分布圖）。因此，中國對非壓水堆核能的需求日益增長。

20世紀70年代，全球釷儲量估計約為100萬噸，而中國當時並不被認為擁有特別豐富的釷礦藏。20世紀80年代，中國的稀土產業開始蓬勃發展；稀土是眾多中國製造的高科技設備所必需的。到20世紀90年代初，中國已生產了全球大部分稀土，並在90年代末幾乎實現了壟斷。作為採礦和提煉的副產品，中國還產生了遠遠超過任何非核需求的釷。到2009年，人們注意到中國正在儲存釷，以備未來核能用途。

與此同時，由於中國製造熔鹽反應堆實驗堆的失敗嘗試仍然令資深研究人員記憶猶新，大量關於如何實際製造熔鹽反應堆實驗的資訊意外地出現了：柯克·索倫森（Kirk Sorensen）獲得了許多重要的 ORNL 歷史研究技術文件的副本，為了提高人們對釷和熔鹽反應堆實驗堆技術的認識，他將這些文件數位化，並從2006年開始在他的網站上公開提供。

這些新情況促使人們重新審視728工程的最初計劃。2009年成功完成中國第三代同步輻射光源上海同步輻射光源項目後，其建設負責人徐洪傑(Xu Hongjie)被中科院委派了一項新任務：推進中國能源政策和可持續發展目標，為先進的核裂變能源計劃奠定基礎。在組建團隊、查閱相關文獻並確定研究課題後，一份以釷熔鹽反應堆為重點的計劃提交中國科學院審批。

## 項目啟動

2011年1月，中國科學院啟動了三相蒸汽堆（TMSR）研發項目，研發一種採用空氣冷卻等先進技術的反應堆。據報導，該項目的初始預算為30億元人民幣（當時約合4.44億美元；按2025年匯率計算約為6.35億美元）。該項目由徐洪傑領導，由中國科學院上海應用物理研究所（SINAP）負責，建立相關產業鏈與科研隊伍，並在上海嘉定區建立了熔鹽反應堆實驗堆（MSR）研究設施。

2012年，上海舉辦了釷能源會議，由中國科學院上海應用物理研究所（SINAP）協辦；徐洪傑和蔣綿恆等學者在會上發表了演講。會議期間，阿爾文·M·溫伯格（Alvin M. Weinberg）的自傳《第一個核能時代：一位技術修復者的生平與時代》（The First Nuclear Era: The Life and Times of a Technological Fixer）被翻譯成中文，並分發給與會者。溫伯格（Alvin M. Weinberg）曾在熔鹽實驗堆(MSRE)項目期間擔任橡樹嶺國家實驗室（ORNL）主任。

到2014年，中國燃煤造成的霧霾已經惡化（例如2013年中國東北霧霾和2013年中國東部霧霾），以至於 TMSR 的工程師被告知要加快反應堆上線的進程，將原計劃的工期從25年縮短到10年。

2015年，中國科學院上海應用物理研究所與橡樹嶺國家實驗室(ORNL) 簽署了一項為期十年的合作研究與開發協議 (CRADA)，以進行與 MSRE 及相關核能創新相關的技術轉讓。

美國政府 2018 年發布的《美國對中國民用核能合作的政策框架》中，明確限制與美國有直接經濟競爭的涉及「華龍一號」「國和一號」(CAP1400)以及相關先進反應堆的合作，釷基熔鹽堆中美合作研究與交流完全中止。

截至2019年，白雲鄂博礦區被認定為大型釷礦床，中國至少擁有10萬噸釷儲量。近期在白雲鄂博的勘探發現了更多大型釷礦床：截至2025年已探明儲量達22萬噸，總儲量估計超過100萬噸。目前，中國釷礦總儲量估計為140萬噸。據估計，這足以滿足中國6萬年的能源需求。

## SF0

TMSR-SF0於2019年在上海應用物理研究所開始建設，並於次年開始運行，它一個電加熱（非裂變）模擬器，旨在輔助開發擬議的 TMSR「SF」（固體燃料，計劃為TRISO，僅使用熔鹽進行冷卻）分支，並積累更廣泛的熔鹽運行經驗。並建設電子加速器白光中子源、泵與換熱器測試平台、熱工流體力學平台等一系列工程驗證設施。這些平台重點驗證熔鹽泵運行、非能動餘熱排出、水氧含量控制、工藝流程控制和關鍵設備集成運行等技術，為實驗堆設備可靠性、安全分析和運行方案優化提供了基礎數據。SF0 具有兩個液態FLiNaK熱傳輸迴路。

## 液態燃料釷基熔鹽實驗堆(TMSR-LF1)

液態燃料釷基熔鹽實驗堆(TMSR-LF1 Liquid Fuel Thorium-based Molten Salt Experimental Reactor）是一座2兆瓦噸的熔鹽反應堆原型堆。2017年4月，甘肅省武威市政府與中國科學院簽訂合作協議，於民勤縣展開釷基熔鹽堆核能系統項目的研究與建設，位於甘肅省民勤縣紅砂崗工業集聚區，南側緊鄰緯七路、東側緊鄰東環路。「LF」（液態燃料）設計直接基於20世紀60年代的熔鹽反應堆（MSRE）。TMSR-LF1的選址位於一個化工和能源產業園區內，地處人口稀少、乾旱地區（參見下文「位置說明」部分）。場地建設始於2018年。設備安裝於2022年完成。2023年10月11日首次達到臨界狀態。2024年6月17日實現滿功率（2MWt）運行。2024年末向反應堆注入釷後，檢測到鏷-233，表明核增殖成功。

中國科學院上海應用物理研究所（SINAP）副院長蔡向洲強調了中國在不依賴外國實體的情況下自主研發該技術的能力，他指出：「LF1反應堆90%以上的部件都是國產的，關鍵部件實現了100%國產化，供應鏈完全獨立。這一成就標誌著中國釷熔鹽反應堆技術產業生態系統的初步建立。」中國原子能科學研究院院長戴志敏表示，研究院將與包括國家電力投資公司在內的能源企業合作，「構建釷熔鹽反應堆的綜合產業鏈生態系統。」

2023年6月7日，中國國家核安全局頒發了該項目的運行許可，准許其進行裝料、調試和試運行。同年10月11日，TMSR-LF1首次達到臨界狀態。2024 年6月17日實現滿功率（2MW t）運行，10月8日，在熔鹽中含釷的情況下滿功率運行了 10 天；檢測到釷-232在強中子輻照下吸收了中子後的鏷-233，表明核增殖成功。2024年10月，完成世界上首次熔鹽堆公斤級加釷實驗，成為目前世界上唯一運行的釷基熔鹽堆（綜合實驗平台）。

### TMSR-LF1設計

TMSR-LF1熔鹽實驗堆的一迴路壓力極低（接近常壓），壓力容器不需要像壓水堆或高溫氣冷堆那樣厚重，但對材料的耐腐蝕要求極高。

- 實驗堆的容器相對較小，其堆芯高度約4米，直徑約3米左右。
- 核心材料採用國產自主研發的UNS N10003（或稱Hastelloy N 合金，含有約16%鉬(Mo)、7%鉻(Cr)和餘量的鎳(Ni)，為了阻止了核裂變產物碲的滲透，在合金中加入微量的鋁 (Al)、鈦 (Ti) 或 鈮 (Nb) 進行改性，並在合金表面形成微納米級的保護層，年腐蝕速率<10um/年）。這種高鎳鉬合金專門用於抵禦高溫氟化鹽的腐蝕，最高耐受溫度850攝氏度，挑戰：合金在強中子輻照下的脆化問題，以及核能制氫需要的900度高溫。
- 運行壓力通常小於0.5MPa，容器壁厚遠小於普通核反應堆
- 反應堆內部充滿石墨反射層和慢化劑。燃料鹽（LiF-BeF2-ThF4-UF4）在石墨縫隙中流動並發生核反應。
- 研發成功中國首款熔鹽堆專用的細顆粒核石墨 NG-CT-50，常規性能評估顯示其滿足熔鹽堆需求，防熔鹽浸滲性能優於進口核石墨。建立了國產核石墨常規性能資料庫，直接推動了熔鹽堆專用核石墨國際規範的建立。
- 燃料在線分離與處理技術
- 氣態裂變產物移除，通過噴淋或吹泡技術，利用氦氣將溶解在鹽中氣態裂變產的氙-135(會大量「吞噬」中子，降低反應效率)、氪、氚等惰性氣體帶走。
- 燃料增殖與提取（釷-鈾循環的關鍵）：氟化揮發法 (Fluoride Volatility)，這是中國 TMSR 項目的核心工藝。通過通入氟氣，將熔鹽中的四氟化鈾 (UF4) 轉化為易揮發的六氟化鈾 (UF6) 氣體。
- 載體鹽淨化與廢物分離
- 真空蒸餾法 (Vacuum Distillation)：在高溫真空條件下，將清潔的載體鹽（鋰、鈹、氟鹽）蒸發冷凝回收，而將裂變產生的稀土元素等「廢渣」留在底部。
- 電化學分離：針對難以蒸發的金屬雜質，利用熔鹽電解技術，將廢料有針對性地沉積在電極上。
- 自主研製高溫熔鹽用主泵、換熱器等關鍵裝備
- 運行溫度，反應堆容器設計出口溫度在630-700攝氏度之間。
- 換熱，高溫熔鹽（約700攝氏度）流出堆芯，通過換熱器將熱量傳導給二迴路的非放射性熔鹽，最終產生高溫蒸汽。
- 採用外部中子源啟動

### 重要文件列表

文件名稱｜文件編號｜發布機關｜發布日期

關於頒發2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆運行許可證的通知｜國核安發〔2023〕100號｜國家核安全局｜2023年6月7日

關於2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆環境影響報告書（運行階段）的批覆｜環審〔2023〕46號｜生態環境部｜2023年6月7日

關於批准《2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆建造階段質量保證大綱》（V2.4）的通知｜國核安發〔2022〕150號｜國家核安全局｜2022年8月11日

關於批准《2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆調試大綱》（V1.3版）的通知｜國核安發〔2022〕146號｜國家核安全局｜2022年8月2日

關於頒發2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆建造許可證的通知｜國核安發〔2020〕20號｜國家核安全局｜2020年1月13日

關於2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆環境影響報告書（建造階段）的批覆｜環審〔2019〕149號｜生態環境部｜2019年11月29日

關於同意開展2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆相關核安全設備活動的復函｜國核安函〔2019〕55號｜國家核安全局｜2019年7月31日

關於頒發2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆場址選擇審查意見書的通知｜國核安發〔2018〕322號｜國家核安全局｜2018年11月30日

關於2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆環境影響報告書（選址階段）的批覆｜環審〔2018〕121號｜生態環境部｜2018年11月26日

關於釷基熔鹽實驗堆以Ⅱ類研究堆開展前期工作有關問題的復函｜國核安函〔2015〕128號｜國家核安全局｜2015年11月26日

## TMSR-LF2

釷基熔鹽堆能源系統（TMSR）制定了實驗堆、研究堆、示範堆三步走發展戰略。

計劃在同一地點建設十兆瓦電功率（10MWe）小型模塊化釷基熔鹽研究堆（設計最大熱功率60MWt），升級干法分離研究裝置為核心的釷基燃料鹽研究系統及配套設施，該項目預計2025年年內破土動工，2030 年首次臨界並滿功率運行為目標推進工作。新反應器的規格包括：3公尺高、2.2公尺寬的核心石墨、700°C的工作溫度、60兆瓦的熱輸出，以及一個基於超臨界二氧化碳的實驗性閉式循環燃氣渦輪機，可將熱輸出轉換為10兆瓦的電能。此反應器的輸出也將用於高功率、高輻照工況下釷基熔鹽堆科學問題與關鍵技術的工程熱驗證，以及展示透過高溫水分解來生產氫氣（「紫氫」）。

2026年3月，小型模塊化釷基熔鹽堆研究設施--研究堆、燃料鹽研究系統配套建安工程（設計）中標結果公布，中標單位為上海核工程研究設計院股份有限公司，中標價約2130萬元。5月10日前，完成詳細施工建設圖。預計2026年年內開工建設。

## TMSR-LF3

10兆瓦工程完工後，計畫於2035前建設具有全流程電化學後處理能力100兆瓦的商用小型模組化示範堆（TMSR-LF3）。一項名為smTMSR-400的提案規定，其熱容量為400兆瓦，發電量為168兆瓦當量。反應爐可能建在中國中部和西部地區，也可能建在中國境外的一帶一路沿線國家；作為低碳發電廠，它們將有助於實現中國政府2060年碳中和的目標。

## 未來概念

可發展出多個堆型分支，包括小型模塊化釷基熔鹽堆、固態燃料熔鹽冷卻堆、同位素生產堆和釷鈾增殖堆等。其應用場景不僅包括高效電力供應，也包括工業高溫熱應用、化工過程供熱、綜合能源利用、船舶或特殊載具能源供應，以及醫用和工業同位素生產。

提取氚作為核聚變原料：在釷基熔鹽堆（TMSR）中，氚（Tritium, H3）的產生是一個核心的技術挑戰，因為它的產量比傳統的輕水堆（LWR）高出約 50 到 100 倍。主要來源：熔鹽堆通常使用 FLiBe（LiF-BeF2）作為冷卻劑。其中的鋰（Li）的同位素中子反應後是產生氚的最主要供體；氚具有極強的滲透性。它能穿透金屬熱交換器的管壁，進入二迴路甚至排放到環境中。

2025 年中證鵬元資信評估股份有限公司還列出了 TMSR 技術的另外兩個潛在應用：為ITER規模化的核聚變項目提供大量（每年數千公斤）氚源；以及「深空和行星表面能源」：在太空中產生 1 MW的核電，同時還能產生700°C 以上的工藝熱。對於登月任務，所用鹽將利用月壤在月球上製取；收集到的月球水將利用硫碘循環進行分解，生成氫氣和氧氣，用作返回地球 的火箭推進劑。

## 其它研究

2018年後，在可預見的未來，美國極不可能繼續與中國就釷基熔鹽堆（TMSR）開展聯合研究。儘管橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）與上海應用物理研究所（SINAP）之間曾簽署過一項合作研發協議（CRADA），但由於地緣政治緊張局勢加劇以及美國實施了嚴格的出口管制，這一合作夥伴關係實際上已被切斷。

目前，美國正通過私營企業專注於國內熔鹽堆技術的研發，而非與中國開展國際合作，其它國家很多公司也在積極開展研究：

- 美國 Kairos Power 公司正在橡樹嶺（Oak Ridge）建造「Hermes」鹽冷試驗堆，其廠址距離原熔鹽反應堆（MSRE）的運行地點不遠。2023年12月，美國核管理委員會向凱羅斯公司頒發了「赫爾墨斯」的建造許可證，使其成為50多年來美國首個獲准建造的非輕水反應堆。
- 美國TerraPower 公司，比爾·蓋茨支持，此前曾與中國達成合作協議，後因故被迫終止，2024年起正在懷俄明州開發「Natrium」反應堆示範項目。
- 加拿大的Terrestrial Energy公司。
- 丹麥的哥本哈根原子能公司，該公司正在開發100兆瓦熱功率的釷熔鹽反應堆，計劃於2030年投入使用。
- 印度尼西亞的 ThorCon International公司 2025年8月 獲得了其ThorCon 500熔鹽反應堆的第一階段審批。