為什么熔融鹽反應(yīng)堆可以帶來清潔能源的革命。在過去的幾十年中，世界迎來了了最大程度的全球貧困人口減少。自2010年以來，每年有超過1億人接入電網(wǎng)。這一增長主要是通過增加對燃燒化石燃料的依賴來實(shí)現(xiàn)的。各個(gè)國家/地區(qū)的各種生活質(zhì)量指標(biāo)表明，要達(dá)到體面的生活水平，每人平均總能源消耗率約為5kW。

    考慮到預(yù)期的人口增長，將全球人口從貧困提升到現(xiàn)代舒適水平，可能需要全球能源消耗是我們當(dāng)前消耗量的三到五倍。與此同時(shí)，我們必須大幅減少溫室氣體的產(chǎn)生，以避免災(zāi)難性的氣候變化影響。由于能源消費(fèi)的增長發(fā)生在發(fā)展中國家，而這些國家無力支付過高的能源價(jià)格，因此能源生產(chǎn)的快速增長必須從根本上比化石燃料便宜。

    今天，我們已經(jīng)遇到了了可持續(xù)發(fā)展的困境。為了在全球范圍內(nèi)維持現(xiàn)代文明，我們需要一種無排放、可擴(kuò)展、可靠且比煤炭更便宜的能源。在核時(shí)代的早期，輕水反應(yīng)堆(LWR)被認(rèn)為是不可擴(kuò)展的，因?yàn)殁櫟南∪?，輕水反應(yīng)堆構(gòu)成了目前核艦隊(duì)的大部分。盡管從那以后，我們意識(shí)到鈾資源更加豐富，但我們沒有過渡到各種先進(jìn)(和更高效)的反應(yīng)堆概念，而是堅(jiān)持使用當(dāng)前的技術(shù)。

    或許現(xiàn)在是重新思考核能的時(shí)候了。熔鹽反應(yīng)堆為工業(yè)裂變動(dòng)力提供了一種新的途徑。核燃料溶解在高溫堿金屬鹵化物熔體中，如氟化鋰或氯化鈉，并在裂變堆芯和主熱交換器之間的主回路中循環(huán)。

    與現(xiàn)有的LWR技術(shù)相比，這有幾個(gè)基本優(yōu)勢。

    首先，該系統(tǒng)提供超過600℃的高溫?zé)崃?，大約是LWR出口溫度的兩倍。

    第二，熔融鹽在高達(dá)約1400℃的大氣壓下保持液態(tài)，因此系統(tǒng)可以在低壓下運(yùn)行。

    第三，堿金屬與鹵素的配對導(dǎo)致了強(qiáng)結(jié)合的化合物，沒有化學(xué)能用于快速反應(yīng)。

    第四，熔鹽是離子鍵合的液體，不像共價(jià)鍵合的固體燃料那樣會(huì)受到輻射損傷，所以燃料不會(huì)隨時(shí)間而降解。

    第五，熔鹽是一種化學(xué)介質(zhì)，適合于有價(jià)值元素的分離和提取，特別是醫(yī)用和工業(yè)用的同位素。

    第六，液體燃料在循環(huán)過程中不斷混合和均質(zhì)化，消除了潛在的熱點(diǎn)。

    第七，熔鹽溶解鈾、釷和钚，提供燃料靈活性。最后但并非最不重要的是，液態(tài)燃料在電站停電時(shí)更容易冷卻，消除了熔毀的可能性。

    簡而言之，MSR提供了一種高溫低壓系統(tǒng)，可以在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行換料，不受燃料壽命的限制，具有相對便宜的薄壁結(jié)構(gòu)部件，沒有擴(kuò)散放射性核素的化學(xué)或壓力驅(qū)動(dòng)因素，完全被動(dòng)安全的潛力，以及從有價(jià)值的醫(yī)用同位素中獲得額外收入的可能性。此外，它可以消耗來自當(dāng)前乏核燃料或武器級钚庫存的有問題的錒系元素。

    技術(shù)

    熔融鹽反應(yīng)堆的基礎(chǔ)技術(shù)是在20世紀(jì)50-70年代在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)開發(fā)的，當(dāng)時(shí)在阿爾文·溫伯格博士的領(lǐng)導(dǎo)下建造并運(yùn)行了三座熔融鹽反應(yīng)堆。他將MSR承諾創(chuàng)造為“鍋、管和泵”中的“燃燒的石頭”。最著名的系統(tǒng)是熔鹽反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)(MSRE)，這是一個(gè)石墨慢化氟化物鹽燃料反應(yīng)堆，運(yùn)行于1965-69年，作為一個(gè)小型8MW技術(shù)開發(fā)平臺(tái)。

    在那次行動(dòng)結(jié)束時(shí)，ORNL的研究人員對這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)充滿信心，開發(fā)了幾個(gè)商業(yè)規(guī)模演示器的概念設(shè)計(jì)，并預(yù)計(jì)將在20世紀(jì)70年代進(jìn)行建設(shè)。由于政府資助重點(diǎn)的改變，ORNL·MSR計(jì)劃反而夭折了。2001年，MSR被第四代國際論壇認(rèn)可為具有改進(jìn)的安全性、成本和效率的下一代反應(yīng)堆概念之一。從那以后，國際上對MSR技術(shù)的興趣顯著復(fù)蘇，主要是在北美、歐洲、俄國和中國。中國的項(xiàng)目是最雄心勃勃的。它于2011年2月在上海核與應(yīng)用物理研究所正式啟動(dòng)，成功復(fù)制了過去ORNL的大部分技術(shù)。

    多樣性

    在美國和加拿大，2010年后成立了幾家私營公司，許多公司的目標(biāo)是在本世紀(jì)末發(fā)展MSR。這些開發(fā)商所追求的MSR理念有很大的多樣性。弗利比能源公司正在開發(fā)一種以釷為燃料的雙流體增殖器，即液體氟化釷反應(yīng)堆(LFTR)，這是ORNL計(jì)劃的最初目標(biāo)。

    索康電力的目標(biāo)是建立一個(gè)與MSRE最相似的系統(tǒng)，但造船廠正在建設(shè)中，并把印尼作為其第一個(gè)市場。全球能源公司正在開發(fā)集成熔鹽反應(yīng)堆(IMSR)，它將反應(yīng)堆和熱充電器集成到一個(gè)密封的可更換容器中。

    在比爾·蓋茨的支持下，Terrapower正在研究一種不用減速劑的氯化物鹽燃料反應(yīng)堆，即熔融氯化物快堆(MCFR)。凱羅斯電力公司使用氟化物鹽來冷卻鵝卵石形式的固體燃料，這是首次為高溫氣冷堆發(fā)明的。

    核能是人類活動(dòng)中最受管制的領(lǐng)域之一，這是有充分理由的。這些法規(guī)是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)量身定制的。制定新法規(guī)需要專題專家。直到最近，熔鹽技術(shù)在核工程領(lǐng)域既沒有被教授，也沒有被熟知。用來模擬核反應(yīng)堆物理的工具沒有考慮流動(dòng)燃料。

    我們需要更好地理解化學(xué)和熱熔鹽的熱物理性質(zhì)，這些熱熔鹽含有溶解的錒系元素和裂變產(chǎn)物。需要證明熔鹽與結(jié)構(gòu)材料的兼容性，并且需要為液體燃料開發(fā)裂變材料衡算和控制方法，以滿足國際和國內(nèi)保障措施。閥門、法蘭、泵、廢氣系統(tǒng)、各種傳感器和檢測器都需要設(shè)計(jì)和演示。大學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室和MSR開發(fā)商正在開發(fā)必要的專業(yè)知識(shí)、工具和勞動(dòng)力，這些由私人和美國能源部資助。也就是說，在20世紀(jì)50年代和60年代，我們已經(jīng)建立并運(yùn)行了MSR系統(tǒng)。真正的挑戰(zhàn)是在經(jīng)濟(jì)上與化石燃料競爭。許多人認(rèn)為這是最好的現(xiàn)實(shí)選擇。

    維持我們的技術(shù)文明可能需要一種新的能源，這種能源要比現(xiàn)有的能源好得多。MSR提供了一種新的裂變方法，一種從本質(zhì)上安全的低壓系統(tǒng)傳遞的高溫?zé)崃?，消耗乏核燃料和钚庫存中不需要的錒系元素的可能性，以及生產(chǎn)所需的醫(yī)用同位素。被動(dòng)安全、高溫產(chǎn)熱和完善核廢料是重要因素，這將有助于經(jīng)濟(jì)可行性和公眾接受度。