美國資深報業(yè)人士、能源專家、史蒂文斯理工學(xué)院榮譽(yù)工程博士盧埃林·金(Llewellyn King)前年四季度在《Forebes》網(wǎng)發(fā)文[1]，稱頌天堂技術(shù)(現(xiàn)為天堂工業(yè))公司(Elysium Industries)推出的氯化物熔鹽快堆(MCSFR)設(shè)計，甚至說產(chǎn)生了“輕水反應(yīng)堆已‘日暮途窮’”的感覺……

美國天堂工業(yè)公司提供的系列熔鹽堆核電裝置設(shè)計

如果你想設(shè)計一輛車，你會有一些常數(shù)，比如四個輪子。對于一輛汽車來說，你可以利用數(shù)百萬小時的設(shè)計時間，以及數(shù)萬億年的運(yùn)行經(jīng)驗。

但如你想設(shè)計一個核反應(yīng)堆，這方面幾乎沒有任何限制。實際上，有許多令人難以置信的設(shè)計可能性。

數(shù)百種反應(yīng)堆設(shè)計已經(jīng)寫在紙上，恒定的很少。需要一種易裂變?nèi)剂希驇в辛炎?ldquo;觸發(fā)器”的可增殖燃料元素，但除此之外沒有限制。關(guān)于反應(yīng)堆設(shè)計的所有信息并不都是可以獲得的，因為要么是專利的，要么是機(jī)密的。

反應(yīng)堆燃料、慢化劑、尺寸、運(yùn)行特性都有廣泛的選擇。此外，每種反應(yīng)堆類型，都有巨大的變化。選擇最佳的設(shè)計是個挑戰(zhàn)。

這個任務(wù)的特點(diǎn)，在某種程度上取決于選擇以及科學(xué)可行性。還有某些所謂的外部因素，即與發(fā)電的主要目的無關(guān)的因素。

這些措施包括在所有條件下的安全措施：地震、颶風(fēng)和海嘯。反應(yīng)堆還必須是防“擴(kuò)散”的。如果出現(xiàn)什么問題，安全系統(tǒng)必須是“故障安全”型的。

在反應(yīng)堆多年的發(fā)展中，有許多反應(yīng)堆方面的想法。在我50多年參與的討論中，有個想法反復(fù)出現(xiàn)：熔鹽。

有許多消息靈通的核設(shè)計師相信，熔鹽是走過的路，而且仍然是前進(jìn)的道路。關(guān)鍵在于另外的方面。

核能要反復(fù)思考

沒有人會爭論汽車的基本知識。關(guān)于核的一切都有待于科學(xué)辯論。而這種辯論則是核領(lǐng)域的永久特征：評估和重新評估。

熔鹽堆并不新鮮。20世紀(jì)50年代到70年代，在美國田納西州的橡樹嶺國家實驗室，對它們進(jìn)行了明確的研究。那是反應(yīng)堆設(shè)計的創(chuàng)造性時期，尤其是在實驗室天才、傳奇的負(fù)責(zé)人阿爾文·溫伯格(Alvin Weinberg)的領(lǐng)導(dǎo)下。我很幸運(yùn)地認(rèn)識了溫伯格。

但是，在能源部(DOE)之前的原子能委員會致力于建造輕水反應(yīng)堆，這種反應(yīng)堆的一個變體已為核海軍提供動力，另一變體在電力行業(yè)取得成功。

工業(yè)資金、公用事業(yè)需求和各種政策受政府影響。海曼·里克弗(Hyman Rickover)支持輕水，只支持輕水。他們擔(dān)心輕水，即這種成功且可行的技術(shù)，會因技術(shù)上相互競爭被削弱，其中包括熔融鹽。

這個核機(jī)構(gòu)不想要免費(fèi)的技術(shù)，而里克弗，這個核海軍專橫跋扈的前輩，我也很幸運(yùn)地認(rèn)識，可以影響對核的政治支持，這起源于原子能聯(lián)合委員會。這個委員會控制著核能在眾議院和參議院的命運(yùn)，也是唯一有權(quán)提出立法的委員會，使其在國會歷史上具有獨(dú)特的影響力。

盡管如此，科學(xué)家和工程師們對沒有走的道路，說話含糊不清;科學(xué)犧牲在輕水祭壇上。

如今，有一種感覺，就是輕水反應(yīng)堆已“日暮途窮”。有個活躍的企業(yè)家群體在推廣各種反應(yīng)堆設(shè)計，特別是由于美國能源部為小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)提供了種子資金。這些“小兄弟”應(yīng)該比它們的“老大哥”們更便宜、更靈活。

某些SMR設(shè)計是革命性的，比如比爾·蓋茨支持的行波反應(yīng)堆。其他的設(shè)計，比如領(lǐng)先的NuScale反應(yīng)堆，都是建立在輕水技術(shù)基礎(chǔ)上的。SMR的成本節(jié)約來自在現(xiàn)場之外的工廠制造這些新一代的反應(yīng)堆。

但業(yè)內(nèi)人士對這些說法表示懷疑：目前還沒有一個設(shè)計證實了它自己。

NuScale公司正在能源部的愛達(dá)荷泉現(xiàn)場建設(shè)它的模塊化SMR，有一份合同，將電力出售給一個農(nóng)村電力合作社的聯(lián)合企業(yè)，其中兩個成員，最近由于成本螺旋上升的預(yù)測而退出。這就抑制了SMR的熱情，人們的注意力又回到1000 MWe及以上的大型反應(yīng)堆上。

兩個企業(yè)家進(jìn)場

在這場爭論中，有兩位企業(yè)家更新了熔鹽快堆(MSFR)設(shè)計。他們是卡爾·佩雷斯(Carl Perez)和艾德·菲爾(Ed Pheil)，他們是天堂工業(yè)公司的聯(lián)合所有者。

據(jù)佩雷斯和菲爾說，價格是一大“賣點(diǎn)”。他們的1200MWe的反應(yīng)堆不承受高壓，但在高溫下運(yùn)行，大幅降低了電廠輔助設(shè)施(BOP)如安全殼結(jié)構(gòu)和燃料等的成本。

此外，也可能是決定性的銷售因素，因為它將是個含有熔鹽燃料的快堆，能用現(xiàn)代核電廠用過的核廢料(即乏燃料)做燃料，并隨著時間的推移，燃燒凈盡。快堆的中子無須慢化，不需要輕水堆必須的水那樣的“慢化劑”。

菲爾在海軍反應(yīng)堆設(shè)計方面有30多年的經(jīng)驗。他處理核科學(xué)和歷史，就像他是個量子計算機(jī)。問他一個關(guān)于核科學(xué)或相關(guān)化學(xué)的問題，就會引發(fā)信息“雪崩”。

佩雷斯是一個企業(yè)家，他的熱情與菲爾無窮無盡的知識相匹配。在我看來，他們一起組成了很棒的一對。如果你在推銷反應(yīng)堆的概念，它們充滿激情，而且壓倒一切，這是必不可少的品質(zhì)。

據(jù)佩雷斯和菲爾說，以下所列是他們的氯化物熔鹽快堆的主要賣點(diǎn)：

● 燃料來自武器和其他反應(yīng)堆的“核廢料”

● 用空氣冷卻

● 提供工藝供熱

● 不停堆加注核燃料

● 反應(yīng)堆、核燃料，以及其他設(shè)施的成本較低

● 無需建在大水源附近

● 以合理成本制氫的潛在能源

僅有700萬美元的初始資金來自有遠(yuǎn)見的天使投資者。現(xiàn)在，佩雷斯告訴我，天堂工業(yè)公司的下一輪融資將使10 MWt的小型示范工程和許可成為可能，該廠的規(guī)模由美國核管會的“條列”決定。

能源部資助、GAIN(核加速創(chuàng)新網(wǎng)關(guān))負(fù)責(zé)的中子物理學(xué)和燃料生產(chǎn)設(shè)計工作，已在阿貢國家實驗室(ANL)和愛達(dá)荷國家實驗室(INL)實施。

世界需要核能減少碳排放。對我來說，MCSFR的兩大優(yōu)點(diǎn)是核廢料的價格和燃耗。它們是重大優(yōu)點(diǎn)。

啟示

世界各核大國都在開發(fā)SMR和熔鹽堆。但最強(qiáng)勁的在北美，美國能源部著重開發(fā)的三種先進(jìn)堆(熔鹽堆、高溫氦氣冷堆和鈉冷快堆)中，著重和引人關(guān)注的也是熔鹽堆。連比爾·蓋茨支持的泰拉能源公司，也把重點(diǎn)放在熔鹽氯化物快堆(MCFR)及其示范堆熔鹽氯化物反應(yīng)堆實驗裝置(MCRE)上[2]，按照能源部的規(guī)劃，要在2027年建成調(diào)試。但其設(shè)計和技術(shù)參數(shù)，披露得不夠詳盡，不容置評。Elysium Industries公司的設(shè)計資料，自2015年開始，已兩次上報IAEA并公開發(fā)表[3,4]。

關(guān)于熔鹽堆的發(fā)展史，早有所聞，盧埃林·金所講的故事，也有不同的版本。但引起后人極大關(guān)注是確確實實的，甚至有人走上核能創(chuàng)新之路。我風(fēng)聞“熔鹽堆”是60年在清華工程物理系學(xué)生時期，信息來自副系主任呂應(yīng)中教授，現(xiàn)在的王大中院士，那時還是呂先生的同事，甚至學(xué)生。后來，直到文革中呂先生入獄，在獄中給周恩來總理寫信，提出中國應(yīng)當(dāng)開發(fā)熔鹽堆，甚至728工程起步，最初也曾有熔鹽堆方案，上海應(yīng)用物理研究所也曾建成零功率裝置。但到2010年前后上海應(yīng)用物理研究所再次研究熔鹽堆，并在甘肅武威沙漠地區(qū)建造釷基熔鹽堆實驗裝置，則體現(xiàn)了中國核科學(xué)技術(shù)人士的堅韌追求，需要有國家財政和科研技術(shù)界的強(qiáng)力支持……

資料與注釋

1 Llewellyn King, New Design Molten Salt Reactor Is Cheaper To Run, Consumes Nuclear Waste, Forebes, Oct 13, 2020

2 ANS, ARDP recipient Southern announces molten salt fast reactor demonstration plans, November 19, 2021

3 Molten Chloride Salt Fast Reactor MCSFR (Elysium Industries, USA) ，詳見IAEA, Advances in Small Modular Reactor Technology Developments (ARIS) 2020 Edition, P.279-282

4 Ed Pheil, Elysium Industries Thorium Energy Alliance-MCSFR, Elysium, March 2017