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钍燃料发电

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一个钍样品

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、钸（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[1][2]。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[3]。

在研究利用钍的可行性之后，核物理学家爱德华·泰勒等人曾建议重新采用被摒弃30年的钍能发电和建造原型核反应炉[4][5]。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（英语：Liquid fluoride thorium reactor）（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，钸元素的发现者格伦·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.[6]

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[4]。

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[7]。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.[8]

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（英语：World Nuclear Association）如此评论钍燃料发电[9]：

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.[10]

钍燃料循环（英语：Thorium fuel cycle）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：

  1. 钍的蕴藏量为铀的4倍，与铅一样普遍。钍能源联盟（英语：Thorium Energy Alliance）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[10][11]。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[12]。
  2. 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。[13]:11”
  3. 液态氟化钍反应炉（英语：Liquid fluoride thorium reactor）（LFTR）的设计使它成为一个安全的核反应炉。Flibe Energy（英语：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。[12]”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。[13]:13[14]
  4. 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钸的2%，当中又有很多钸同位素是不适合作核武用途的。[13]:11[15]
  5. 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。[13]:13。中国科学家声称有害钍废料少于铀废料1000倍[12]。钍废料在数百年后变得安全，但铀废料则要等数万年[16]。
  6. 运作中的钍反应炉除了钍外无需其他燃料[4]，它是自我持续的。钍也是不可分裂物质，因此它可与铀、钸等可裂变物质合用作核燃料[10]。
  7. 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。
  8. 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[17]。

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.[3]

LFTR计划值得在5至10年中投资10亿，用以解决剩馀的微小技术问题，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[18]：

  1. 反应炉需要钸和铀来引发裂变反应[19] 。
  2. 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[20]。
  3. 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[10]。
  4. 不能完全解决核废料被利用作核武的问题[19][21][22] 。
  5. 核废料仍然有辐射存在[19]。

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[8][13] 。

中国

2011年初，中国宣布一系列研究钍燃料发电的计划[23]。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[24]。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，因此希望拥有全部智慧财产权。

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（英语：CANDU reactor）的设计，它将会以钍、铀为燃料[25]。

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2兆瓦级的液态钍基熔盐反应堆原型，由中国科学院上海应用物理研究所自主设计并营运[26]，在2023年6月获得运行许可。[27]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。[28]

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%[13]:144。2009年，印度原子能委员会（英语：Atomic Energy Commission of India）主席指出印度会以其钍资源达致能源独立为长远目标[29][30]。

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[31]。

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。”[32]

美国

在2012年1月有报告指出美国有熔盐反应炉的计划[33]。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[34]。有专家和政治家希望钍燃料发电能成为国家的支柱之一[35]。

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[36]。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[36]。

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[37]。

以色列

2010年5月，内盖夫本·古里安大学和布鲁克黑文国家实验室的研究员合作发展可自我持续的钍燃料反应炉[38]。

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（英语：National Nuclear Laboratory）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，它被人过份夸张[10]。英国地球之友则认为钍燃料发电的研究是有用的[39]。

已知钍资源

据估计独居石矿蕴藏量达1200万吨，而矿石中磷酸钍（英语：Thorium phosphate）的含量可高达12%，平均为6-7%，为主要的钍来源。

2007年世界各地的钍资源如下[40]：

2007年世界各地的钍资源
国家 吨 百分比
澳洲 489,000 19
美国 400,000 15
土耳其 344,000 13
印度 319,000 12
委内瑞拉 300,000 12
巴西 302,000 12
挪威 132,000 5
埃及 100,000 4
俄罗斯 75,000 3
格陵兰 54,000 2
加拿大 44,000 2
南非 18,000 1
其他 33,000 1
总计 2,610,000

钍基反应堆类型

根据世界核能协会（英语：World Nuclear Association），有数种反应炉可以设计成以钍为燃料，头5种已踏入发展阶段，其后2种仍是理论。

  1. 重水反应炉
  2. 超高温反应炉
  3. 沸水反应炉
  4. 压水反应炉
  5. 快中子反应炉
  6. 熔盐反应炉（包括液态氟化钍反应炉）：橡树岭国家实验室建造了一个原型，于1965-1969年运作
  7. 加速器驱动次临界反应炉

参见

参考

  1. ^ Dean, Tim. “New Age Nuclear” 互联网档案馆的存档，存档日期2006-09-03., Cosmos, April, 2006
  2. ^ 存档副本. [2013-03-16]. （原始内容存档于2015-04-13）. 
  3. ^ 3.0 3.1 "Should We Consider Using Liquid Fluoride Thorium Reactors for Power Generation?" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Environmental Science & Technology, July 6, 2011
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 Moir, Ralph W. and Teller, Edward. “Thorium-fueled Reactor Using Molten Salt Technology”, Journal of Nuclear Technology, Sept. 2005 Vol 151 (PDF file available). This article was Teller's last, published after his death in 2003.
  5. ^ "Edward Teller, Global Warming, and Molten Salt Reactors" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Nuclear Green Revolution, March 1, 2008
  6. ^ "The Thorium Dream" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Motherboard TV video documentary, 28 min.
  7. ^ "Reintroducing Thorium" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Nov. 16, 2009
  8. ^ 8.0 8.1 Stenger, Victor. "LFTR: A Long-Term Energy Solution?" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, "Huffington Post", Jan. 9, 2012
  9. ^ "The Use of Thorium in Nuclear Power Reactors" （页面存档备份，存于互联网档案馆） Section 5.3, WASH 1097 - Accessed 11/23/09
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 "Thorium （页面存档备份，存于互联网档案馆）, World Nuclear Association
  11. ^ Thorium Energy Alliance. [2013-03-16]. （原始内容存档于2021-05-04）. 
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 Evans-Pritchard, Ambrose. "Safe nuclear does exist, and China is leading the way with thorium" （页面存档备份，存于互联网档案馆） Telegraph, U.K., March 20, 2011
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 Martin, Richard. Superfuel: Thorium, the Green Energy Source for the Future, Palgrave – Macmillan (2012)
  14. ^ "Thorium: Is It the Better Nuclear Fuel?" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Cavendish Press, Dec 2008
  15. ^ "Alvin Radkowsky, 86, Developer Of a Safer Nuclear Reactor Fuel" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, obituary, New York Times, March 5, 2002
  16. ^ 存档副本 (PDF). [2013-02-06]. （原始内容 (PDF)存档于2013-12-08）. 
  17. ^ Evans-Pritchard, Ambrose. "Obama could kill fossil fuels overnight with a nuclear dash for thorium" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, The Telegraph, U.K. August 29, 2010
  18. ^ Andrew T. Nelson. Thorium: Not a near-term commercial nuclear fuel. Bulletin of the Atomic Scientists. September/October 2012 vol. 68 no. 5 33-44 [2013-03-16]. （原始内容存档于2015-11-04）. 
  19. ^ 19.0 19.1 19.2 "Is Thorium A Magic Bullet For Our Energy Problems?" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, NPR interview, May 4, 2012
  20. ^ arXiv:nucl-ex/0506004v1, http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0506004 （页面存档备份，存于互联网档案馆）, alternative http://hal.in2p3.fr/docs/00/03/09/52/PDF/TMSR.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  21. ^ Proliferation Warnings On Nuclear 'Wonder-Fuel', Thorium. Science Daily. Dec 5, 2012 [2013-03-16]. （原始内容存档于2021-04-28）. 
  22. ^ Phil McKenna. Is the "Superfuel" Thorium Riskier Than We Thought?. Popular Mechanics. December 5, 2012 [2013-03-16]. （原始内容存档于2014-10-27）. 
  23. ^ Martin, Richard. "China Takes Lead in Race for Clean Nuclear Power" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Wired, Feb. 1, 2011
  24. ^ "Watch replay of nuclear’s future, with dash of rare earth, political intrigue" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Smart Planet, Dec. 23, 2011, includes video
  25. ^ "Candu Signs Expanded Agreement with China to Further Develop Recycled Uranium and Thorium Fuelled CANDU Reactors" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Canada Newswire, Aug. 2, 2012
  26. ^ 杨漾. 全球最大核动力集装箱船来了！15-20年更换一次“电池”. 澎湃新闻. 2023-12-07 [2024-01-13]. （原始内容存档于2024-01-13）. 
  27. ^ 自主第四代先进核能研发迎重要节点：甘肃钍基熔盐实验堆获运行许可. 中国科学院兰州分院. 澎湃新闻. [2024-07-10]. 
  28. ^ Chen, Stephen. China hopes cold war nuclear energy tech will power warships, drones. South China Morning Post. 2017-12-05 [2018-06-19]. （原始内容存档于2022-01-05）. Chen Fu, a thermal physicist at the Harbin Institute of Technology involved in the development of new power generation systems for China’s navy, said the heat generated by a thorium molten salt reactor could be perfect to help generate power on a warship. 
  29. ^ "Considering an Alternative Fuel for Nuclear Energy" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, New York Times, Oct. 19, 2009
  30. ^ （[//web.archive.org/web/20160606114513/http://www.youtube.com/watch?v=Nl5DiTPw3dk&feature=player_embedded 页面存档备份，存于互联网档案馆） "India's experimental Thorium Fuel Cycle Nuclear Reactor [NDTV Report]", Video report, 2010, 7 minutes
  31. ^ "First commercial fast reactor nearly ready" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, The Hindu, June 29, 2012
  32. ^ "Norway ringing in thorium nuclear New Year with Westinghouse at the party" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Smartplanet, Nov. 23, 2012
  33. ^ Blue Ribbon Commission Report （页面存档备份，存于互联网档案馆）, January 2012
  34. ^ Halper, Mark. "U.S. partners with China on new nuclear" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Smart Planet, June 26, 2012
  35. ^ "U-turn on Thorium" （页面存档备份，存于互联网档案馆） Future Power Technology, July 2012 pp. 23-24
  36. ^ 36.0 36.1 Friedman, John S., Bulletin of the Atomic Scientists, Sept. 1997 pp. 19-20
  37. ^ Halper, Mark. "Safe nuclear: Japanese utility elaborates on thorium plans" （页面存档备份，存于互联网档案馆） Smart Planet, June 7, 2012
  38. ^ "Self-sustaining nuclear energy from Israel" （页面存档备份，存于互联网档案馆） Israel21c News Service, Oct. 11, 2010
  39. ^ Friends of the Earth - Thorium reactors and nuclear fusion （页面存档备份，存于互联网档案馆） 24 March 2011
  40. ^ Data taken from Uranium 2007: Resources, Production and Demand, Nuclear Energy Agency (June 2008), NEA#6345 (ISBN 9789264047662). The 2009 figures are largely unchanged. Australian data from Thorium, in Australian Atlas of Minerals Resources, Mines & Processing Centres, Geoscience Australia

外部链接

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