宇宙年齡最大的核燃料（它半衰期高達140.5億年超過宇宙年齡）

2023-05-29 01:17:53

出品：科普中國

製作：寒木釣萌

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

一提起核燃料，我們首先想到的是鈾，但其實，有一種名字很「土」，半衰期比宇宙年齡還要長，高達140.5億年的元素，它也是鈾的超級替補，這就是釷。而熔鹽堆主要是指「釷基熔鹽堆」。

在科幻小說中，未來世界是可以直接「燒」巖石的，從理論上講，這並沒有誇張。因為獨居石這種石頭中就含有大量的釷，而含量高的可達8%。

8%含量看上去似乎也不是那麼高，但我們得知道，當今主流的核反應堆，以壓水堆為例，核燃料中參與裂變的鈾235含量只在2%～4.4%之間。

鈾235的裂變動圖

鈾235被中子撞擊後，裂變並產生中子，從而有連鎖反應。但釷不具備鈾235這樣的特性。不過，這不難解決。

古有點石成金術，而今有中子術。

自然界存在的釷是釷232，當它吸收一個中子後，就變成了釷233，釷233再經過兩次β衰變後，就搖身變成了鈾233。

而鈾233就跟我們熟悉的鈾235一樣了，只要有中子撞擊，鈾233就會裂變並產生大量中子，這些中子反過來又去將釷232增值，如此就能循環下去了。

釷基熔鹽堆中，因為高溫，釷和其他鹽是以一種熔融的形態存在的，反應堆中，熔鹽自身既是加載核燃料的載體，且因為是循環流動，所以它同時也是冷卻劑。

而像大家熟悉的壓水堆，它是通過循環水作為冷卻劑，這讓反應爐需要常年保持在150個大氣壓左右。

而釷基熔鹽堆因為可以不使用水作為冷卻劑，因此反應爐內是在常壓下進行，安全性更高。

另外，又由於是常壓，所以反應堆可以做得很小很小，可以小到常規反應堆的幾百分之一，甚至千分之一，這意味著，它可以應用在核潛艇，甚至是科幻中的核轟炸機上。

壓水堆中，核燃料芯塊是裝入一根有幾層金屬的管子中，構成核燃料棒。

而在釷基熔鹽堆中，由於核燃料自身就是熔融狀態，所以也就無需專門製作固體燃料組件，這節約了成本。

實際上，熔鹽堆的研究是很早的，上世紀40年代末，美國空軍為了研製能持續在天上飛行數天的核動力轟炸機， 1946年5月28日，美國空軍啟動核動力轟炸機NEPA計劃，1951年5月，NEPA計劃被ANP計劃取代，研究方向同樣還是核動力飛行，而其動力之源就是熔鹽堆。

飛機上的核動力發動機基本原理。

冷空氣從右下方抽入，通過上圖的綠色管道，經過熔鹽堆，被強力加熱後，從紅色管子流向發動機尾部，向後高速噴出，以提供推力。

美國橡樹嶺國家實驗室承擔了ANP計劃中核能發動機的研發任務，他們於1954年建成第一個小型熔鹽堆實驗裝置，運行最高溫度達到 871℃，美國核物理學家阿爾文·溫伯格，他在《第一核紀元》一書中說，這在當時是人類首次將核反應堆運行到如此赤熱的狀態。

1954年建的這個熔鹽堆雖然沒有使用釷，但它證明了熔鹽堆的可行性。1966年初，另一個設計功率10兆瓦的熔鹽堆建成並成功運行，這時，釷成為了其中的核燃料，這個釷基熔鹽實驗堆運行很平穩，除了必要的維護而臨時停堆外，它一直運行到了1969年12月，後因經費問題才徹底停堆。

之後，遠程轟炸機的作用逐漸被戰略彈道飛彈滿足，另一個原因是，當時還是冷戰期間，而釷基熔鹽堆不像重水堆那樣，既能發電，還能從中提取核燃料造原子彈。所以，釷基熔鹽堆逐漸受到美國冷落。

溫伯格參與了美國熔鹽堆的研究，他對此當然耿耿於懷。有一次他說：「這個國家現在一意孤行的要發展快增殖堆，這讓其他堆型的發展變得不可能，特別是熔鹽堆，希望聯合委員會能改正這個錯誤。」

如今，時代變了，從冷戰時期的要大力造核武器，變成了現在的要努力防止核擴散。

因此，釷基熔鹽堆正在被越來越多的國家所重視。

中科院經過7年多的研究和攻關，已突破熔鹽堆各項關鍵技術，2017年11月7日，中國科學院與甘肅省共同籤署「釷基熔鹽堆」項目合作框架協議，預計兩年後，也就是2020年左右，甘肅的釷基熔鹽實驗堆將有望建成。

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