相對於鈾能源，釷能源很安全、有前景嗎？

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2013-12-17解碼陳文茜反核擁核的另一個選擇乾淨安全的釷能源-20131217解碼陳文茜
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釷主要天然同位素為Th232，在反應堆中吸收一個中子後生成釷233，經兩次β衰變生成鈾233，鈾233是可作為核燃料的易裂變核素（類似鈾235或鈈239），釷232-鈾233組合在熱中子裂變情形下釋放的有效中子數量多於鈾235，有希望在某些熱中子堆中實現自持和緩慢增殖。鈾233快中子核性能相對於另外兩種核燃料沒有優勢，更適合在快堆中增殖而非作為燃料。

釷原子序數和質量數較鈾低，需要吸收更多的中子才會變成超鈾元素，釷-鈾燃料循環在核燃料循環中超鈾元素的產生量上比傳統的鈾-鈈循環有顯著減少，是一個很大的優點。但超鈾元素（也稱次要錒系元素）主要在在萬年至百萬年以上尺度上貢獻核廢物放射性和毒性，兩種燃料循環在乏燃料主要放射性來源的核裂變產物（幾千年以內）上幾乎沒有區別。

二氧化釷陶瓷的化學惰性和高熱導率相對二氧化鈾燃料有優勢，在現行輕水堆中使用釷基燃料有輕微的安全優勢，但由於需要易裂變核素作為驅動燃料（濃縮鈾或者鈈），燃料加工難度大，在經濟性上不佔優，在一次通過循環情景下節省的天然鈾資源有限。由於超鈾元素產額低的優勢，可以作為削減鈈庫存的一種選項。

釷232-鈾233燃料循環中會伴生具備強γ子體的鈾232，在防止核擴散上有一定優勢；但由於中間過程鏷233的半衰期較長，在實現鏷分離的情況下，仍有一定核擴散風險。由於伴生鈾232的強γ放射性，閉式燃料循環過程中製造新燃料元件需要大量遙控，在現有水堆中採用釷-鈾燃料閉式循環在經濟和技術上難度較大。

釷資源在資源保障上有顯著優勢，地殼丰度是鈾的3~4倍，在目前幾乎沒有什麼大宗工業用途的情況下，仍擁有與鈾資源相當的探明儲量。我國的白雲鄂博有豐富的釷資源儲量；相對缺少鈾資源的印度、巴西擁有很大的蘊藏在濱海砂礦中的釷資源。

在重水堆或高溫氣冷堆，釷-鈾燃料可以實現自持，但重水堆中要麼需要非常頻繁的後處理、要麼需要非常高超過現有材料的燃耗，技術上存在困難；高溫氣冷堆實現釷自持的功率密度太低經濟性不佳，但高溫氣冷堆具備燃耗高的特點，在一次循環情況下在高溫氣冷堆利用釷資源可能是經濟的。

在熱中子熔鹽堆中，則有希望實現基於釷鈾燃料循環的熱中子增殖堆，但增殖比不高，如果能結合在線燃料處理，增殖比可以與快中子增殖堆接近；但熔鹽堆技術、在線燃料處理等方面存在很多技術困難，尚未有可靠的熔鹽堆示範堆運行經驗，橡樹嶺實驗室曾經運行過小功率的熔鹽堆實驗堆，包括2.5MW熱功率的 ARE（美國飛行器反應試驗堆）和7.4MW熱功率的 MSR（熔鹽實驗堆），在MSR實現了釷-鈾燃料循環，並探索了反應堆物理和工程材料，但大型化的示範堆由於美國核能發展路線的變化停留在圖紙上。已運行的熔鹽堆使用液態熔鹽核燃料（鋰7富集物、鈹、釷、鈾的氟化物熔鹽），同時作為燃料和冷卻劑，石墨作為慢化劑，熔鹽堆安全性在理論上優於現有的水冷反應堆。

由於超鈾元素產額少，利用快中子譜的釷基熔鹽堆概念雖然技術難度更大，但可以實現堆內嬗變策略，在削減核廢物方面存在優勢（傳統的分離—嬗變策略是在核燃料後處理過程中分離長壽命廢物製作靶件，然後在嬗變反應堆或ADS中利用中子將長壽命放射性核素變成穩定或短壽命核素，熔鹽堆在在線處理燃料過程中可以通過將長壽命放射性核素留在熔鹽中，只去除某些短壽命廢物和中子毒物，實現堆內嬗變）。同樣的，基於快中子熔鹽堆技術的ADS（加速器驅動次臨界裝置）也非常有誘惑力。如果能夠實現快中子釷基熔鹽堆嬗變核廢物，可以將長壽命核裂變廢物的半衰期削減至數百年以內，但核電廠運行和燃料嬗變過程仍然需要對巨量放射性進行管理。

隨著高溫氣冷堆技術的成熟，還出現了使用高溫氣冷堆TRISO-石墨燃料，熔鹽冷卻的熔鹽高溫堆概念。利用高溫熔鹽代替了高壓氦氣，在安全性和功率密度上優於高溫氣冷堆並保留了高溫氣冷堆的高溫工藝熱特點（當然也面對熔鹽堆的諸多工程問題），這種反應堆也可以利用釷燃料，但與高溫氣冷堆一樣，主要是一次通過循環。

基於釷232-鈾233燃料循環的釷基裂變核能仍然是核裂變能源，不能本質上避免裂變核能面臨的兩個主要問題：能源生產和乏燃料處置過程中大量人工放射性的管理問題和核擴散問題（某種程度上來講，受控核聚變也不能避免），當然這兩個主要問題並非反對核能的充分理由。

釷基裂變核能是現有裂變核能系統實現革新——如大幅度削減長壽命放射性廢物（分離—嬗變技術路線）、解決鈾資源量限制、設計運行本質安全核能設施的重要技術選項，是下一代核能技術的重點之一。我國已經開展釷基熔鹽堆的技術研究，是「未來先進核裂變能」戰略性先導科技專項的組成之一。

從這篇報道的內容來看，可以說，這篇報道對釷基核能系統的發展描述太過理想化和美化了。釷基先進核能系統可以削減核廢物，但談不上沒有核廢物、沒有放射性，可以更安全，但還談不上絕對安全，在工程進展上是需要漫長和昂貴的科研過程的。實際上，核聚變的某些宣傳也存在類似的過度理想化。艾爾文.溫伯格的《第一核紀元》曾經回顧過美國核能發展路線和熔鹽堆的歷史，但令我印象深刻的不是技術，而是「第一核紀元」時代普遍的「」「技術救世論」最終破滅的過程——公眾和技術界在核能發展初期的盲目樂觀和嚴重核事故之後的悲觀盲目是一脈相承的。

首先看鈾，自然界存在三種鈾，最廣泛的鈾是鈾238，鈾238不能直接用來作核燃料，而鈾235可以，鈾235用中子轟擊會放出能量併產生2個中子，放出的中子繼續引發鈾235，這種鏈式反應相對難以控制。鈾235存量少濃縮技術難，但是後來人們發現鈾238在中子轟擊下會產生鈈239，鈈239在一個中子轟擊下也會引發鏈式反應而且比鈾235能量更大所以鈈也可以用來造原子彈。一般會在中心反應堆用鈾235,外部包一層鈾238，讓鈾235釋放的一部分中子撞擊外部的238，這樣就可以利用中心的原子反應作為啟動劑（中子源）來製造核原料了。所以鈾238也被利用了起來。但是鈾的輻射半衰期太長，控制反應堆要在高壓下，所以安全性不好，尤其是日本福島出事後遭到了廣泛質疑。

再看釷，釷用中子轟擊經過27天的半衰期會產生鈾233。鈾233是人造的易裂變鈾同位素，自然界並不存在，不穩定難以控制貯存，所以無法造原子彈。但是可以用來發電。如果釷變鈾仍然用鈾235釋放的中子作為中子源的話，其安全性沒有比單純用鈾提高多少，優點是廢料的半衰期大大縮短，釷的存量比鈾豐富。不知道釷堆的熱中子源是否會用不同的技術。例如粒子加速器，再用釷堆釋放的能量驅動加速器加速中子，用來轟擊釷，將整個原子反應過程維持下去。如果這樣的話，那麼安全性將大大提高。只要停止粒子加速器，反應也會逐步停止。因此可控性會更高。

最近Reuters正好有一個關於中國軍事力量崛起背後故事的BreakOut系列文章。在其第六篇Tennessee Waltz裡面就有關於中國是如何費盡全力去獲得釷反應堆技術的介紹。

URL：Breakout: Inside China"s military buildup

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安全高效污染低只是一方面，還要具有一定門檻，防止掌握核電技術的國家可以輕易地獲得軍用級核彈原料。鈾不會有這個問題是因為濃縮技術門檻較高，監管嚴格防止用電站反應堆獲得核彈原料。