核燃料的前世今生：關於鈾、鈽與釷那些事(三)

美國橡樹嶺國家實驗室的MSRE，是世界第1座釷鹽式反應爐。(圖/ORNL)

第3種值得介紹的核燃料就是釷(元素縮寫：Th)，它是1830年由挪威化學家艾斯馬克(Morten Thrane Esmark)首次偶然發現，之後由瑞典化學家貝里吉斯(Jöns Jacob Berzelius)確認爲新元素，並且以北歐神話英雄雷神索爾（Thor），將其命名爲釷(Thorium)。

純釷的硬度普通，莫式硬度爲3，但是它的熔點很高，達到1750 度，可應用在某些白熾燈套管、鋼合金、瓷器或光學玻璃上。

最近十年，釷 (Th)成爲「較乾淨的核能」的代表，而且供應不缺。這些說法不算錯，在地殼丰度當中，釷是鈾的3倍，其集中在印度、土耳其、巴西、美國和埃及。

而且雖然釷也有放射能，但是非常弱，釷232的半衰期長達140億年，比宇宙的年齡(137億年)還久，這表示它以很緩慢的速度衰變，相對的說法就是它很安定，因此它與鈾238一樣，不能直接成爲核燃料，而是擔任生成核燃料的「增殖原料」。其增殖的過程，與「鈾238增殖成鈽239」有些類似，同樣是給予中子，使其改變原子核的質子數，釷232在吸收1箇中子後，會經過2次衰變而成爲「鈾233」，而鈾233在許多性質上，都與鈾235非常類似，是個可以進行核分裂的核燃料。

1954年4月15日，美國首次引爆鈾233核武器。(圖/美國國會圖書館)

早在 1950 年代釷元素的潛力就被美國核能研究單位所發現。 1965年美國原子能委員會橡樹嶺實驗室(ORNL)就利用釷鈾反應，建造了「熔鹽式實驗爐MSRE」(Molten Salt Reactor Experiment)，它的功率爲7.4百萬瓦，採用一種獨特設試的氟化物鈾鹽式燃料，初期的燃料是33%鈾235混合67$%的釷232，之後釷232逐漸增殖成鈾233，實現了設計目的。整個實驗相當成功，它一直運作到1969年。

但隨後，美國可能因爲軍事考量，對鈾233的核武器化興趣更高，1955年美國測試以鈾233爲材料的核彈取得成功。1994年，一份機密資料被公佈，文件指出美國軍方稱「鈾233是令人滿意的武器材料」，同一份文件指出「在冷戰時期，美國大約以釷232增殖的方式，生產了2公噸的鈾233」，意即在美國的核武庫中，除了鈾235核彈、鈽239核彈以外，也有鈾233核彈。

既然釷燃料發電早已被證實有效，因此近幾十年，印度、巴西和中國大陸等一些國家，對釷燃料開始有了研究興趣。其中最有希望的方案，就是與橡樹嶺實驗室MSRE反應爐相同的「熔鹽式反應爐」(MSR)。將核燃料給融解成流體，既擔任燃料，又充當冷卻劑，因此它的構造更簡單，填進燃料之後的後續照顧也最少。而且它可以在更高的溫度下運行，熱效率也就更高。

然而，這項技術也有缺點，首先要製造熔鹽式燃料是更加困難的，目前核能部門在處理釷燃料的經驗，要低少於對鈾燃料的理解。

但是，它的確很有前景，有愈來愈多的國家在進行熔鹽反應爐的研究，法國工程集團Assystem不久前剛與新興的法國微型反應爐開發商Naarea簽署了合作協議，計劃建造超小型模組式熔鹽反應爐（XSMR），功率預計1~ 40百萬瓦，如果研發順利，將在2030年開始生產。

大陸興建的小型試驗型熔鹽反應爐TMSR-LF1。(圖/中國核工業集團公司)

中國大陸在2011年就在甘肅武威，進行2百萬瓦的小型試驗型熔鹽反應爐(TMSR-LF1)的研究工作，主要技術難處在開發合適的合金，可以同時承受1,000度的高溫，以及釷鹽的輻射。該計劃距今剛好10年，據大陸官媒今年9月的報導，TMSR-LF1已在8月完成，正進行初步測試階段。(完)