釷在核能領域的長期潛力：IAEA的最新分析
03/13/2023
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，中國宣布完成其第一座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提供超過10萬戶家庭用電的反應器。
並不是只有中國意圖獲取釷的獨特特性。過去，印度、日本、英國、美國等國家對釷可能應用在核電方面的研究都表現出熱情。 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，而鈾是主要的核燃料。
然而，使用釷以產生能源並非沒有挑戰，IAEA新出版物《部署釷基核能的近期及有希望的長期選擇》中討論了這些挑戰。該報告綜合彙總了IAEA一項為期四年以開發釷基核能可能性為重點合作研究計畫的結果，審視了使用釷作為燃料的優點與挑戰，並分析了其在不同類型反應器中的應用，包括最常部署的水冷式反應器及熔鹽反應器。
“許多國家認為釷是一種既可行且非常有吸引力的選擇，可用於發電並滿足不斷增長的能源需求，”IAEA核燃料循環設施專家兼該報告作者之一的Kailash Agarwal說。“我們的研究計畫協助各國家實驗室和研究機構分享有關使用釷的寶貴知識與經驗，最終彙編成此本出版物。”
釷是一種銀色、略具有放射性的金屬，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，但以往在工業或發電中幾乎沒有用處。其中一部分原因是釷本身不是核燃料，但它可以用來製造核燃料。釷-232是唯一天然存在的釷同位素，是一種可裂材料，但不是易裂材料，這表示它需要高能中子才能進行分裂，使原子核分裂並釋放出用於發電的能量。然而，當受到輻射照射時，釷-232會發生一系列核反應，最終形成鈾233，這是一種易裂材料，可以在核反應器中作為燃料。
釷能提供什麼？
與傳統核燃料鈾-235相比，釷擁有多項優勢。釷提供作為水冷式反應器或熔鹽反應器燃料時，會產生比消耗量更多的易裂材料(鈾233)。 據估計，地球上層地殼平均含有百萬分之10.5(ppm)的釷，而鈾的含量僅約為3 ppm。
“由於釷的豐富性和易裂材料的滋生能力，釷有可能為人類的能源需求提供長期解決方案，” Agarwal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外，它們產生的長壽命核廢棄物也較今日鈾燃料反應器者為少。
並非沒有挑戰：
然而，有幾個經濟和技術障礙使得要有效運用釷仍具有挑戰性。 儘管其儲量豐富，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，就不會僅僅因為其釷含量而去開採獨居石。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釷的數量不如鈾。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卓越地位的重要經驗，因此，對釷動力核設施的研究、開發和測試同樣昂貴。“釷的另一個障礙是它可能難以處理，”原子能機構燃料工程和燃料循環設施技術負責人 Anzhelika Khaperskaia說。作為一種可孕(增殖)而非易裂的材料，它需要鈾或鈽等驅動物來觸發與維持連鎖反應。
“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指出: “我們將繼續我們的研究，為有興趣於釷的人提供可靠且具有科學基礎的結果。”