題圖：低溫學工程師雷切爾·伯克利站在達斯伯裡的EMMA加速環內。
福島核危機，讓全世界對核電安全充滿了擔憂。德國等一些國家甚至宣布要在不久的未來放棄使用核能。
尋找更清潔、更安全的能源獲得方式，成為人們更加關心的問題。不久前，英國《每日郵報》報導說，世界上已知的釷元素儲量可以至少為全球提供1萬年的能源支持。目前，英國科學家們已經在曼徹斯特南部的柴郡平原，建起了一個用於研究釷的小型加速器——EMMA，目的是尋求用釷代替鈾作為新型核燃料的方式
為解決人類未來的能源需求，人類研究應用鈾和鈽的核電技術已經有六七十年了，雖然核電相對於煤電有其不可替代的優點，但是安全性和核廢料的處置兩大問題一直引起廣泛關注。
翻開核能利用的研究發展史，我們注意到科學家早在上世紀50至70年代就研究過釷元素，它作為核燃料應用有很多獨特優點，如果拿它來發電，既安全又綠色，是鈾和鈽最理想的替代品。
儲量大、易提煉、更清潔
1噸釷能抵200噸鈾的能量
雖然釷元素本身不是裂變物質，但研究發現，一個普通的釷-232原子核吸收一個中子就會變成釷-233，它很快就經歷兩次β-衰變，變成鈾-233，這可是一種長壽命的易裂變物質。
而相比於鈾元素，用釷做核燃料還有很多天然優勢。
第一，地殼表面的釷就是釷-232，幾乎不含釷的其它同位素，在原料提取中十分方便，與從天然鈾中濃縮只佔0.7%的鈾-235相比，省了非常費事又成本高昂的一步。
第二，自然界裡的釷主要存在於獨居石中，而獨居石易於開採而且比鈾礦豐富得多。據測算，天然鈾裡的鈾-235隻夠人類使用幾十年。除非現在開始投資另外建設一種增殖反應堆，讓佔天然鈾99%以上的不可裂變的鈾-238變成可裂變物質鈽-239，那才能延長天然鈾的使用年限。而有資料稱，釷的估計儲量是鈾儲量的3至4倍。
第三，釷在核反應中能更充分地釋放能量，有資料顯示，一噸釷裂變產生的能量抵得上200噸鈾。研究還發現，使用釷來發電只產生相當於傳統核電站0.6%的輻射垃圾。有毒的放射性廢料大大減少，而且這些核廢料只需存放三百年，其後的毒性已經很低，不像使用鈾的反應堆那樣，有的核廢料放射性長達萬年以上。
因為自然界裡存在的釷幾乎全部是不可裂變的釷-232，如果要建造一個使用釷作為燃料的「釷基反應堆」，必須讓釷-232接受輻照令其轉變為鈾-233，隨後鈾-233吸收中子開始它的鏈式反應。
要實現這一點，目前世界上主要有三種設計思路。
思路之一
改造現有核電站使用鈾釷混合燃料
要想釷基反應堆中的釷-232持續不斷地轉變為鈾-233，關鍵是要提供足夠強的中子源來輻照它。現在正在運行的核電站的鈾基反應堆就是強大的中子源。如果將釷嵌入低濃縮鈾的核反應堆中，只要設計得當，就可以改造成為鈾釷混合的核反應堆，高的中子通量不但夠維持鏈式反應的需要，而且還有足夠多的中子讓釷-232持續生成新的鈾-233，實現可裂變物質在堆內的不斷增殖。
將目前正在運行的鈾基核電站反應堆，改造成為使用鈾釷混合燃料或鈽釷混合燃料，這是一種容易想到的思路。這種主張認為，改造現在已經成熟運行的核電站，總比重新設計新的要得心應手得多，況且也較為節省。一家名為Lightbridge的公司，提出了這樣一種設計思路：在堆芯位置放入一些濃縮鈾棒作為產生鏈式反應的「種子棒」，外圍則由氧化鈾和氧化釷混合原料製成的棒所包圍，這樣，鏈式反應持續進行的同時，實現了利用釷使燃料增殖並同時參與鏈式反應，使反應堆的輸出功率提高三分之一。
思路之二
設計新型釷基熔鹽增殖堆
另外一種設計思路被稱為熔鹽增殖反應堆。在上世紀50年代至70年代中，美國橡樹嶺國家實驗室的科學家，就研究利用液態氟化釷為主要燃料建造釷基熔鹽核反應堆，做了很多非常重要的工作，這種反應堆還成功運行了5年之久。
但在冷戰達到高潮時，美國政府對追求釷技術已經失去興趣。原因很簡單：釷反應堆無法產生用於製造核武器的材料鈽，而鈾反應堆在用來發電的同時就生產鈽。有人曾經這樣說：既然釷擁有很多明顯的優勢，這個世界為何還要選擇鈾？答案是：在軍用和民用核能上的投入往往關係密切。
今天，因為核電安全問題與未來能源發展戰略的大環境需要、材料和技術的進步，推動了釷基熔鹽反應堆研究的復甦，受到各國特別是我國和印度科研機構的重視。
作為一個例子，這裡簡單介紹一種運行在高達攝氏七百度高溫下的、沒有燃料棒的釷基核反應堆的設計思路。釷基燃料(例如液態氟化釷和氟化鈾燃料的混合物)已經混合在主迴路的氟化鹽冷卻劑中，成為一種熔融狀態的混合鹽類物質。這種堆只需在常規的大氣壓狀態下就可以運行，因此對主迴路裡的泵和管道的機械性能要求就低得多，使得運行安全有了保障。為了進一步保障安全運行，堆芯下方還設計了一個「易熔塞」。反應堆過熱時，這個小塞子會熔化，熔鹽就排入一個容器。裂變物質離開了堆芯，核反應就不會達到臨界，鏈式反應就自動停止了，非常安全。
當然，製造這種堆還有很多技術問題需要解決。例如，要在大功率狀態下發電運行，所有用於主迴路的部件、管道的材料在承受高溫的同時是否耐腐蝕、耐輻照，就顯得非常重要。
思路之三
用加速器製造中子流注入釷堆
從堆外製造出中子流然後注入釷堆，也是啟動核反應的另一辦法。具體做法是使用一臺高能帶電粒子加速器將帶電粒子(質子)加速到足夠高的能量，讓它轟擊一塊鉛靶，便會釋放出中子，這些中子被注入釷堆撞擊堆芯的釷核，就誕生鈾-233從而開始裂變的鏈式反應。這就是正在設計的「加速器驅動次臨界系統」(ADS)。
在這種設計中，堆芯裡已經沒有鈾或鈽的參與，這意味著核能的生產更加清潔安全了。這種方法要求高能粒子加速器有較高性能，而目前能滿足這種要求的，是一種稱為「固定磁場交變梯度」(FFAG)聚焦的同步回旋加速器，它能使被加速到高能量的粒子的迴旋半徑大大縮小，從而使整個設備的體積大大縮小，使投資建造它成為可能。前不久英國《每日郵報》報導的EMMA電子束加速器就屬於這種FFAG型加速器。
常見的核反應堆在「臨界狀態」時鏈式反應可持續進行，不需人工幹預。但問題是一旦失控就會出現嚴重事故。前蘇聯烏克蘭車諾比核電站一個反應堆就是因為在很低功率狀態下運行不穩定，超臨界失控導致爆炸。現在的ADS系統則不同，當切斷質子束那一刻，釷堆內立即沒有中子注入，就不能產生足夠的裂變物質，無法維持臨界狀態，於是鏈式反應迅即自動停止。所以，這種驅動方法是非常好的安全手段，根本不必擔心堆芯熔毀。
延伸閱讀
中科院擬用20年
研發釷基熔鹽堆核能系統
今年初，我國中科院宣布計劃用20年左右時間研發釷基熔鹽堆核能系統，引起了世界的廣泛注意。
據中科院副院長李家洋表示，目前國內已探明的鈾礦儲量比較有限，中科院正在重點研發採用釷元素進行裂變的核電技術，這將有助於解決國內核能發電的原材料瓶頸問題。
資料顯示，目前中國的鈾礦需要大量進口，每年進口的鈾礦在6000-8000噸之間。但是中國的釷資源儲量很高，完全可以滿足國內長期的核電需求。
(作者為中國科學院原新技術開發局高級工程師、中國科學院老科學家科普演講團成員)
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