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釷燃料發電

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一个釷样品

釷燃料發電是以釷元素經核分裂反應產生鈾-233，以產生能量的發電方式。其能否取代鈾、鈽（鈈）等核燃料作發電用途為科學界關注的議題。葉恭平博士支持釷燃料發電，認為其優點是釷的蘊藏量較多、燃料裝造較簡易、產生較少核廢料、不易製成武器，而且釷裂變發電較有效率等。

發展一個乾淨及安全的核子動力是一個備受重視的目標[1][2]。根據科學期刊"Environmental Science & Technology"的說法，釷燃料發電可以提供一個超過1000年的能源，並可舒緩人類對環境的破壞[3]。

核子科學家拉爾夫·W·莫爾（Ralph W. Moir）和愛德華·泰勒（Edward Teller）在研究了使用釷的可行性後，建議重新啟動停頓了三十年的釷核研究，並建造一個小型原型工廠。[4][5][6]1999 年至 2022 年間，世界上運行的釷反應器數量從零[7]增加到屈指可數的研究反應爐。[8]印度、中國、挪威、美國、以色列及俄羅斯皆在某種程度上發展液態氟化釷反應爐（LFTR）及熔鹽反應爐。

背景

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二戰後興建了不少鈾燃料發電站，它們的設計與用作製備核武器的核反應堆相似。美國也曾經在橡樹嶺國家實驗室興建一個釷燃料熔鹽反應爐，於1965年至1969年運作。在1968年，鈽元素的發現者格倫·西奧多·西博格身為美國原子能委員會的主席，向委員會宣佈釷燃炓反應爐已成功通過試驗：

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.[9]

到目前為止，熔鹽反應爐實驗已取得成功，並具有一定可靠性。我相信有朝一日商業釷燃炓反應爐會像鈾燃炓反應爐推廣至全世界。

但在1973年，美國政府突然叫停所有與釷燃料發電有關的實驗，理由為鈾燃料增殖反應爐更有效率，其副產品也可用作製造武器。根據愛德華·泰勒等人的意見，完全停止此計劃是一個錯誤[4]。

在計劃停止以後，很多現今的科學家似乎都不太關注釷燃料發電。周刊化學化工新聞指出很多人對（包括科學家）釷的認識不深，因此一個得到核反應技術博士學位的人是有可能不知道釷燃料發電的[10]。核物理學家Victor J. Stenger說：

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.[11]

我最近才知道釷燃料這個代替品，使我十分驚奇。它自二戰後便得到發展，但卻因缺乏武器用途而被摒棄。

潛在優點

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世界核能協會（英语：World Nuclear Association）如此評論釷燃料發電[12]：

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.[13]

釷燃料循環提供一個龐大的能源安全的利益，它無需快中子反應爐便可成為一個自我持續的燃料。釷燃料發電是一項有潛質的技術，有望為現今的核能發電創造另一番新景象。

釷燃料發電有以下潛在優點：

  1. 釷的蘊藏量為鈾的4倍，與鉛一樣普遍。釷能源聯盟（英语：Thorium Energy Alliance）估計若美國的用電量不變，該國的釷蘊藏量足夠供電超過1000年[13][14]。每日電訊報提到，美國在勘探稀有金屬資源時埋掉了大量的釷。挪威和英國也有大量的釷礦。礦藏中絕大部分是可用的釷-232，但鈾之中只有0.7%是可用的鈾-235。釷礦可以供應數千年的電力[15]。
  2. 釷是一種較潔淨和較安全的核燃料，它的放射性大大低於鈾。「一塊釷不會比一塊肥皂更危險。[16]:11」
  3. 液態氟化釷反應爐（LFTR）的設計使它成為一個安全的核反應爐。Flibe Energy（英语：Flibe Energy）創始人之一Kirk Sorensen指出：【LFTR在常壓中運作，因此像福島第一核電廠事故般發生氫氣爆炸是不可能的。它也不會有輻射泄漏。[15]」而反應爐出現異常時核裂變會自動停止，因此也不會有爐心熔毀的情況發生。】[16]:13[17]
  4. 利用釷廢料去製造核武幾乎是不可能的。核物理學家Alvin Radkowsky說：釷反應爐產生的鈈少於一般反應爐的鈽的2%，當中又有很多鈽同位素是不適合作核武用途的。[16]:11[18]
  5. 釷反應爐製造更少的核廢料，因此它們無需大量、長時間地加以保存。[16]:13。中國科學家聲稱有害釷廢料少於鈾廢料1000倍[15]。釷廢料在數百年後變得安全，但鈾廢料則要等數萬年[19]。
  6. 運作中的釷反應爐除了釷外無需其他燃料[4]，它是自我持續的。釷也是不可分裂物質，因此它可與鈾、鈽等可裂變物質合用作核燃料[13]。
  7. 與輕水反應爐比較，LFTR無需在高壓環境下運作，因此它造價較廉宜、體積亦小1000倍。LFTR使用熔鹽，處理工序較燃料棒簡單和低成本。
  8. 歐洲核子研究組織的卡洛·魯比亞估計1噸釷產生的電量相等於200噸鈾或3,500,000噸煤[20]。

科學期刊"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計劃值得在5至10年中投資10億，用以解決剩餘的微小技術問題，建造一個反應爐原型，最後造一個正式的核電廠。不少二戰時未能解決的工程和技術上的疑難都已被解決，包括液相氟化釷、耐用的金屬覆層、高溫渦輪等。

潛在缺點

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釷燃料發電有以下潛在缺點[21]：

  1. 反應爐需要鈽和鈾來引發裂變反應[22] 。
  2. 熱中子的增殖較緩慢及需要大規模的核燃料再處理，而再處理的可行性乃是未知之數[23]。
  3. 其研究、分析工作需要大量的資金，依賴政府及民間廠商的支持[13]。
  4. 不能完全解決核廢料被利用作核武的問題[22][24][25] 。
  5. 核廢料仍然有輻射存在[22]。

近期釷燃料發電研究

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已進行或正在進行釷燃料發電研究的國家有英國、美國、巴西、德國、印度、法國、中國、捷克、日本、俄羅斯、加拿大、以色列、荷蘭等[11][16] 。

加拿大

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CANDU 反應器能夠使用釷[26][27]，加拿大釷電力公司 (Thorium Power Canada) 於 2013 年規劃並提議為智利和印尼開發釷電力專案。[28]智利擬建的 10 兆瓦示範反應器可為日產 2,000 萬公升的海水淡化廠提供動力。 2018 年，新不倫瑞克省能源解決方案公司 (New Brunswick Energy Solutions Corporation) 宣布Moltex Energy加入核子研究集群，致力於小型模組化反應器技術的研發。[29][30][31]

中國

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2011年初，中國宣佈一系列研究釷燃料發電的計劃[32]。江澤民的長子江綿恆曾帶領代表團到橡樹嶺國家實驗室參與一個關於釷燃料發電的不公開演講[33]。世界核能協會指出中國科學院在2011年1月發佈其科研方案並聲稱中國為對此項目最有貢獻的國家，因此希望擁有全部智慧財產權。

2012年早期，有報告指出中國使用西方及俄羅斯的零件、400名勞工及投資4億，計劃在2015年建好兩座熔鹽反應爐的原型。中國亦與一間加拿大的核能科技公司達成協議，計劃改善CANDU反應爐（英语：CANDU reactor）的設計，它將會以釷、鈾為燃料[34]。

2013 年底，中國正式與橡樹嶺國家實驗室建立合作關係，以協助中國進行自主研發。[35][36] 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2兆瓦级的液態燃料釷基熔鹽實驗堆，由中国科学院上海应用物理研究所自主设计并营运[37]，在2023年6月获得运行许可。[38]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。[39]

中國科學院上海應用物理研究所學術委員會主任徐洪傑，他的研究領域是核能技術，最新的成就是「釷基熔鹽堆核能系統」，其組織的研究團隊，在較短時間內有了重大技術突破，2023年成功地在甘肅省武威市民勤縣，建了首個「液態燃料釷基熔鹽實驗堆」。

印度

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印度正在開發的反應爐大多是釷燃料發電的，目前有62座，目標是在2025年啟用。現今印度的電力來源大多都是進口煤和石油，反應爐可令印度由3%核能發電升至25%[16]:144。2009年，印度原子能委員會（英语：Atomic Energy Commission of India）主席指出印度會以其釷資源達致能源獨立為長遠目標[40][41]。

2012年6月，印度宣佈其第一個商業快中子反應爐已接近完工，印度原子能委員會前主席指出印度已有大量的釷礦，目前的難關為要發展將釷轉化做核燃料的技術。

印尼

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印尼能源與礦產資源部下屬機構 P3Tek 已對Thorcon 公司建造的釷熔鹽反應器TMSR-500 進行了評估。研究報告稱，建造 ThorCon 公司建造的TMSR-500 反應器將符合印尼的核能安全和性能法規。[42]

以色列

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2010 年 5 月，以色列內蓋夫本·古里安大學和紐約布魯克黑文國家實驗室的研究人員開始合作研發釷基反應器，其增殖比將略高於 1 [43] ，這項特性只有在使用鈾 233 燃料的輕水反應器中才能實現。[44]

挪威

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2012年後期，一家私人企業Thor Energy與政府、Westinghouse Electric Company公佈他們會在其中一座反應爐進行一個為期4年的釷燃料試驗。Thor Energy首席技術長說：「我們不會經常為能源工業的事務感到興奮，但此計劃實在是一項非常值得興奮的計劃，我們已準備充足。」[45]

美國

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在2012年1月有報告指出美國有熔鹽反應爐的計劃[46]。同月又有報告指出她正秘密與中國合作，建造釷燃料熔鹽反應爐[47]。有專家和政治家希望釷燃料發電能成為國家的支柱之一[48]。

希平港原子能發電站的首席設計師Alvin Radkowsky在1997年發起了一個聯同俄羅斯的計劃，要興建一座釷燃料反應爐，認為是一個創新的突破[49]。而一間以興建釷燃料反應爐為目標的公司──Thorium Power Ltd──早已在1992年成立[49]。

日本

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在2012年6月，中部電力仍在收復2011年熔燬的三座反應爐，它指出釷是未來中部電力營運的濱岡核電廠可能會採用的燃料[50]。

英國

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英國也有發展釷燃料發電的呼聲。可是，英國国家核实验室（英语：National Nuclear Laboratory）發表有關釷燃料循環旳報告，指出釷燃料發電的技術不成熟，在現今並無立足之地，評論有關技術是需要大量資金，風險高但回報不明的，它被人過份誇張[13]。英國地球之友則認為釷燃料發電的研究是有用的[51]。

已知釷資源

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釷主要存在於稀土磷酸鹽礦物獨居石中，獨居石的磷酸釷（英語：Thorium phosphate）含量最高可達12%，平均含量為6-7%。全球獨居石資源量估計約1,200萬噸，其中三分之二位於印度南部和東部沿海的重礦砂礦床。其他幾個國家也擁有豐富的釷礦床（請參閱「世界釷儲量」表）。[13]獨居石是稀土元素（REE）的良好來源，但目前生產獨居石並不經濟，因為作為副產品產生的放射性釷需要無限期儲存。然而，如果大規模採用釷基發電廠，那麼只需提煉獨居石以獲得更有價值的稀土元素，幾乎可以滿足全球所有的釷需求。[52]

2016年世界各地的釷資源如下：

World thorium reserves (2016)[53]
Country Tons %
印度 846,000 13.31%
巴西 632,000 9.94%
澳洲 595,000 9.36%
美國 595,000 9.36%
埃及 380,000 5.98%
土耳其 374,000 5.89%
委內瑞拉 300,000 4.72%
加拿大 172,000 2.71%
俄羅斯 155,000 2.44%
南非 148,000 2.33%
中國 100,000 1.57%
挪威 87,000 1.37%
格陵蘭 86,000 1.35%
芬蘭 60,000 0.94%
瑞典 50,000 0.79%
哈薩克 50,000 0.79%
其他國家 1,725,000 27.14%
World Total 6,355,000 100.0%

2025年3月，中國發現100萬噸釷[54]，取代印度成為擁有最多釷礦的國家。


釷基反應爐種類

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根據世界核能協會（英语：World Nuclear Association），有七種類型的反應器可以使用釷燃料。其中六種已投入使用：

  1. 重水反應爐（PHWR[55]）
    • 先進重水反應爐（AHWR[56]）
    • 水性均相反應爐（AHR[57]）被提議作為流體燃料設計，可以接受懸浮在重水溶液中的天然鈾和釷。目前已建造了 7 座 AHR，根據國際原子能總署的反應器資料庫，其中 7 座作為研究反應器正在運作。
  2. 沸水（輕）反應爐（BWR[58]）
  3. 壓水（輕）反應爐（PWR[59]）
  4. 熔鹽反應爐（MSR[60]），包括液態氟化釷反應爐（LFTR[61]）。[62]
  5. 高溫氣冷反應爐（HTGR[64]）
  6. 快中子反應爐（FNR[65]）
  7. 加速器驅動次臨界反應爐（ADS[66]）

参見

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外部連結

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