核能作為清潔能源，發展到今天卻遇到了”生死攸關“的問題，雖然各國都在尋找新的技術路線，我國的第三代核電也領先全球，但是始終都要面對一個問題：由於核反應發電的鈾235不夠用了！相關科學家預計按照現在的速度，最多隻夠人類使用100年。另外，隨著切爾洛貝利核電站、福島核電站出現事故，民眾對核能利用產生的畏懼之情。
那麼，作為清潔高效的新型能源，沒有鈾235，我們只能放棄核能嗎？科學家們又是如何解決鈾235短缺問題？為何使用釷（tǔ）反應堆替代十分理想，而早年間歐美卻放棄了？
鈾不夠用，核能發電怎麼辦？
據相關資料統計，目前，全球已明確發現的鈾礦大約是700多萬噸，其中鈾235的佔比約為0.7%，鈾238佔比為99.275%，雖然它們之間只有3箇中子的差別，但是鈾235就是核燃料，而鈾238就是核廢料。
這樣計算出來，鈾235全球儲量也就只有4.9萬噸，按照我國秦山核電站，每年發電500億千瓦時，消耗的鈾235在5噸左右，即使全球鈾235都用在發電上，也只夠秦山核電站使用1萬年。
但是，隨著各國對新能源的需求不斷增加，大量的核電站被建造出來，這就迫切需要解決鈾235不足的問題，科學家們也嘗試使用豐富儲量的鈾238來代替鈾235，衍生出了新的新的快中子增殖反應堆技術，這是以快中子轟擊鈾238，從而引起裂變核成鈾-235或鈽-239等裂變鏈式反應的堆型。
要實現這個變化技術原理上可行，但是實踐起來十分困難，儘管人類已經研究了幾十年，但是涉及這些增殖反應堆的複雜技術，尚未被充分應用於可節省投資的發電。
歷史上，我國被稱為“貧鈾國”，著名地質學家李四光不相信，先是找出了油井，緊接著就接過了找鈾礦的重任，其實李四光早有準備，1949年回國時，他就帶回一臺伽馬射線儀，可以探測鈾礦射線，準確定位地下鈾礦。1955年1月15日，我國的第一塊鈾礦石從廣西富鍾縣被發現，然後帶到了中南海。
到目前為止，我國已探明大小鈾礦200多個,探明儲量為10萬噸，2012年內蒙古又發現了大型鈾礦，預估儲量為5萬噸，這使得我國扔掉了“貧鈾國”的帽子，躋身於世界9大產鈾國之列，國際原子能機構(iaea)預測中國可能的鈾儲量為177萬噸。
既便如此，根據何祚庥院士的測算，如果我國要實現“2050 年核電達到 4 億千瓦以上”的既定目標，將至少面臨“高達 400 萬噸天然鈾可採儲量”的短缺，這個數字已經佔到全世界鈾資源總儲量的 72%。
這就亟需我們兩條腿走路：一是繼續尋找鈾礦資源，精細化使用鈾礦，提高使用效率；二是，尋找鈾235的替代產品。
實際上，核能發電一直沒有脫離“燒開水”這個原理，都是在利用核裂變過程中產生的熱能來“燒開水”，然後推動發電機工作。科學家們想到了2點：一、不燒開水行不行？二、不用鈾235燒行不行？
答案是肯定的。
首先，科學家們發現使用熔融狀態的混合鹽作為核反應堆的冷卻劑，由於比熱容較大，可以獲得更高的熱效率。同時與“燒開水”相比，具有以下特點：
1、可以實現增殖。使用Li、Be、Na、Zr等氟化鹽以及溶解U、Pu、Th的氟化物熔融混合，作為核燃料，可以在600-700℃和低壓的情況下，直接進入熱能交換器進行能量交換，並且UF4和PuF3作為裂變燃料，可以產生熱量和中子，此時ThF4和UF4作為增殖燃料，吸收了中子，可以產生新的裂變燃料U或者Pu，經過線上萃取，可以再次進入反應堆迴圈。
這種反應堆叫做“熔鹽反應堆”，神奇的是這種堆型在執行幾年後，還可以重新裝配一套新的反應堆所需的燃料。
試想，如果航天、航空運用此型別反應堆，不但可以利用這樣的燃料特性做到小型化，並且不斷增殖，可以提供持續動力，多麼神奇！
2、水的沸點只有100℃，在反應堆中交換熱量時，管道壓力很大，並且傳遞熱效率很低。例如
壓水堆的熱轉換效率只有33%，熔鹽堆可以達到45%。
不僅如此，壓水堆等一旦發生管道破損，輻射物可以隨著水蒸氣四處飄散。而使用熔鹽堆可以在常規大氣壓下執行，因此管道不需要太厚，使用壽命也顯著增加。
3、熔鹽堆最大的商業優勢是在核廢料的處理上，採用核廢料混合反應，無疑可以減少廢料處理難題。
為何美國放棄釷反應堆？
看到這樣的優勢，美國在1946年啟動了核能飛行器的研製計劃，1954年美國橡樹林實驗室製造了NaF-ZrF4熔鹽堆（ARE）實驗工作，但是這個目標發電2.5MW的空間動力實驗，6年後終止。
1963年，在該實驗的技術上，建成了8MW的熔鹽實驗堆(MSRE)，一共運行了5年時間，計算時間為：3000小時，相關研究表明：安全、高效。1971年，設計了1GW釷基熔鹽增殖堆核電系統，1976年，使用鈾238和鈽239作為燃料發展“鈉冷快堆”，使用釷232和鈾233的熔鹽堆計劃被廢棄。
那麼既然熔鹽堆有這麼多好處，為何美國在實驗成功之後，很快就放棄了呢？
讓我們回顧美國橡樹林實驗室的2.5MW和8MW的熔鹽實驗堆(MSRE)到底發生了什麼，來一探究竟。
這2次實驗證實了以下成果：
1、用FLiBe用於熔鹽堆穩定高效，並且和慢化劑石墨相融性較好；
2、使用“哈斯特洛鎳合金-N”材料可以控制反應堆容器、管道、熱量交換器等部位的腐蝕水平；
3、核燃料和裂變產物可以線上分離，例如：裂變的產物氪和氙可以從熔鹽中成功分離；
4、熔鹽堆的燃料十分廣泛，其中包括U235,U233和Pu239；
但是，透過實驗也發現，上述的管道材料雖然可以控制腐蝕水平，但是金屬特性還是會持續下降，要解決這個問題涉及到核物理、化學、材料等交叉學科，一時間難以解決。
另外，二次迴路的臨界問題，以及石墨材料受到輻射之後的穩定性也需要重新評估。最為難辦的是熔鹽燃料中鑭系和錒系元素的溶解性，以及熱交換器中金屬團聚問題都難以解決。
這相當於，管道、熱交換器的腐蝕和“水垢”問題沒有好的解決方案。所以這種固態的熔鹽堆最終被廢棄，轉而使用快堆技術。
雖然1971年設計的釷基熔鹽堆（TMSR）能避免這些，但是在美蘇爭霸的冷戰時期，顯然美國人等不急。
釷基熔鹽堆使用液態氟化釷作為燃料和冷卻劑，在反應過程中處於熔融狀態，壓力和機械應力更小，沒有爆炸的危險，並且如果管道、反應器發生破損，能夠迅速凝固，不會像福島核電站那樣汙染水源。
其基本原理是使用“釷232”增殖“鈾233”和“鈽239”，其優勢明顯，不但能顯著緩解鈾235緊缺問題，在減少核廢料上也十分有效。但是由於熔鹽反應堆普遍發電功率較小（一般在2MW-3500MW），管道腐蝕等問題的影響，在美蘇兩國的競爭情況下，被中止了。
自上世紀40年代至今，釷一直是最誘人的替代選項。和鈾不同的是，釷儲量豐富、分佈廣泛。它不需要像鈾一樣，經過精細的濃縮；而且不容易製成炸彈。另外，釷反應堆的設計有其與生俱來的安全性，可以在反應堆失控時關閉。而且，釷的放射性廢物半衰期較短——幾個世紀內就能轉化為無害物質。
所以，印度、中國、印尼等國都繼續試驗釷反應堆，並嘗試用熔融鹽作為燃料，荷蘭接過接力棒，重啟當初的橡樹嶺實驗。
中國發力釷基熔鹽，有何突破？
在我國大型鈾礦還沒發現前，中國的科學家將目光就移到了替代材料上，相對於萬年不消的鈾礦輻射，釷的半衰期很短，經過中子撞擊之後又可以轉換成鈾-233再使用的核能物質，是稀土之一。
既然鈾礦我國儲量並不豐富，為何不用儲量豐富的稀土礦呢？
首先，自然界的就天然存在釷232，免去了鈾濃縮、提純的過程，拿來就用，很是方便。其次，我國已探明的釷工業儲備量約為28萬噸，僅次於印度，居世界第二位。最後，釷在核反應中能更充分地釋放能量，一噸釷裂變產生的能量抵得上200噸鈾。
最重要的一點是它的安全性，不但不會像鈾235那樣輕易發生裂變，需要中子轟擊變成鈾233才真正開始工作，沒有中子注入，這個鏈式反應就終止了。上文也提到熔鹽冷卻就成為固態，即使發生洩露，也凝固在反應堆附近，不會擴散。另外使用釷只會產生核能，廢料不會被拿來作為“貧鈾彈”。
所以，當科學家們發現我們的稀土廢料中的釷就十分激動，“變廢為寶”行動就此開始了。
1970年，上海市啟動了“728工程”，準備採用釷基熔鹽堆技術，目標是建立一座25MW的核能發電站，後來考慮到實驗性，改為在秦山建造30MW的輕水堆。
上海原子核研究所在1971年和1973年分別建成可零功率熔鹽堆和水堆，用於開展釷基燃料實驗，此後研究一直沒有中斷。
實際上之所以沒在上海實現“728工程”，最主要的原因是，當時上海需要實現儘快發電，而不是實驗性的核能新方向。
2011年，中國科學院啟動了“未來先進核裂變能”戰略性先導科技專項，釷基熔鹽堆核能系統作為其兩大部署內容之一，由於固態燃料熔鹽堆和液態燃料熔鹽堆需要相同的技術基礎，具有不同的用途，前者技術成熟度較高，可以作為後者的預先研究，因此專項採取了兩種堆型研發同時進行、相繼發展的技術路線。
計劃用20年左右的時間，致力於研發第四代先進裂變反應堆核能系統，實現核燃料多元化、防止核擴散和核廢料最小化等戰略目標。
這個計劃分為三步走：
1、2011-2015年，起步階段。建立完善的研究和實驗平臺，建立一個2MW釷基熔鹽反應堆；
2、2016-2020年，發展階段。全面解決科學和技術問題，達到世界領先水平，建成10WM釷基熔鹽反應堆；
3、2020-2030年，成熟階段。解決系統整合問題，實現小型模組化熔鹽系統的產業化。建成100MW的示範性工程。
第一步，就將專案落地在甘肅省威武市，目前相關建設雖然比計劃稍微遲緩，但是正是堅持絕對安全性保障的前提性進行的，目前已經竣工。經過多次安全部門抽驗，全部合格。預計將在9月開始測試。功率雖然只有2MW,但是可以為約1000住戶提供電能。
這將是自1969年美國橡樹嶺國家實驗室研究人員關閉其反應堆以來，執行的首個熔鹽反應堆，也是第一個以釷為燃料的熔鹽反應堆。外媒評價“中國的測試會受到密切關注，中國人或將徹底改變核工業。”
那麼，這麼多國家沒有取得成功，中國是如何實現的呢？
首先，使用新型材料解決燃料鹽對管道的腐蝕作用，製造出了耐中子輻照效能的管道材料。
其次，經過多年實驗，已經掌握了系統性的技術，相關成果已經發布，知識相當硬核，在此不贅述。
最後，完成相關係統性驗證，進入工程驗證階段，為最終商用建立工程基礎。
作為第四代核能技術的重要方式之一，中國領先全球做出實質性的探索，為未來實現核反應堆商業化提供全面的領先技術，這就是大國責任，這就是中國製造的魅力。
