釷在核能領域的長期潛力：IAEA的新分析(20230313)
Artem Vlasov IAEA公共信息和傳播辦公室
1960年代美國橡樹嶺國家實驗室的早期實驗性釷基核反應器(照片：橡樹嶺國家實驗室/美國能源部)
2021年8月，中國宣佈建成首個實驗性釷基核反應器。該反應器建在該國北部的戈壁沙漠中部，未來幾年將進行測試。如果實驗證明成功，北京計劃建造另一個可能為超過10萬戶家庭發電的反應器。
意圖獲取釷的獨特特性的並不只有中國。過去，印度、日本、英國、美國等國家對釷在核電方面的可能應用研究，均曾表現出熱情。這種金屬的吸引力在於它有可能成為一種更豐富、更有效的鈾替代品，鈾是主要的核燃料。
然而，使用釷生產能源並非沒有挑戰，IAEA新出版物《部署釷基核能的近期和有希望的長期選擇》中討論了這些挑戰。該報告全面總結了IAEA一項為期四年的以開發釷基核能的可能性為重點的協作研究計畫結果，審查了使用釷作為燃料的好處和挑戰，並分析了其在不同類型反應器中的應用--從最常使用的水冷反應器到熔鹽反應器。
“許多國家認為釷既是一種可行且非常有吸引力的選擇，可用於發電並滿足其不斷增長的能源需求，”IAEA核燃料循環設施專家、該報告的作者之一Kailash Agarwal說。”我們的研究計畫幫助國家實驗室和研究機構，在釷的使用方面分享了寶貴的知識和經驗，最終形成了本出版物。”
釷是一種銀色、略帶放射性的金屬，常見於火成岩和重礦砂中。它以北歐神話中的雷神托爾命名。它在自然界中的含量是鈾的三到四倍，但歷史上在工業或發電中幾乎沒有用處。這部分是因為釷本身不是核燃料，但它可以用來製造核燃料。Thorium-232是唯一天然存在的釷同位素，是一種可裂變材料，但不是裂變材料，這意味著它需要高能中子才能進行裂變--原子核分裂釋放出用於發電的能量。然而，當受到輻射時，釷232會發生一系列核反應，最終形成鈾233，這是一種裂變材料，可以在核反應器中作為燃料燃燒掉。
釷能提供什麼？
與傳統核燃料鈾235相比，釷擁有多項優勢。釷在為水冷反應器或熔鹽反應器提供燃料時，會產生比消耗更多的裂變材料(鈾233)。據估計，地球上地殼平均含有百萬分之10.5 ppm的釷，而鈾的含量約為3 ppm。
“由於釷的豐富性和裂變材料的繁殖能力，釷有可能為人類的能源需求提供長期解決方案，”阿加瓦爾說。
另一個優勢是，以釷為燃料的反應器可能比以鈾為燃料的反應器更環保。除了這些反應器--以及一般的核電--在運轉中不排放溫室氣體這一事實外，它們產生的長壽命核廢棄物也少於當今的鈾燃料反應器。
並非沒有挑戰
然而，有幾個經濟和技術障礙使得釷的部署具有挑戰性。儘管儲量豐富，但目前這種金屬的開採成本很高。
“獨居石礦物是稀土元素的主要來源，也是釷的主要來源，”IAEA鈾資源專家馬克·米哈拉斯基說。“如果沒有當前對稀土元素的需求，獨居石不會僅僅因為其釷含量而被開採。釷是一種副產品，提取釷需要比提取鈾更昂貴的方法。因此，就目前而言，可以以具有成本效益的方式從地下開採出的釷數量不如鈾。然而，如果對釷及其在核能中的應用有更高的需求，這種情況可能會改變。”
由於缺乏對釷和鈾在核能領域歷史上的卓越地位的重要經驗，因此，對釷動力核裝置的研究、開發和測試同樣昂貴。“釷的另一個障礙是它可能難以處理，”IAEA燃料工程和燃料循環設施技術負責人Anzhelika Khaperskaia說。作為一種可增殖而非易裂變的材料，它需要鈾或鈽等驅動劑來觸發和維持連鎖反應。
“為了滿足不斷增長的能源需求並實現全球氣候目標，全世界都在尋找替代的可持續和可靠的能源技術。釷可能成為其中之一，”IAEA科長克萊門特希爾總結道：“我們將繼續我們的研究，為那些有興趣使用釷的人，提供可靠的和基於科學的結果。”