熔鹽堆往事：一項(xiàng)核能技術(shù)在中美的沉浮

釷基熔鹽堆是第四代核反應(yīng)堆6種候選堆型之一。它在常壓下運(yùn)行，以地球上儲(chǔ)量遠(yuǎn)超鈾的釷元素為燃料，被部分核能研究者視為未來能源的重要選項(xiàng)。這項(xiàng)技術(shù)誕生于冷戰(zhàn)時(shí)期的美國，沉寂了近半個(gè)世紀(jì)，又在一段鮮為人知的中美科技合作中重新啟動(dòng)。如今，中國建成了全球唯一運(yùn)行的同類裝置，而美國正試圖追趕。

撰文| 木木

2025年4月，物理學(xué)家徐洪杰在中國科學(xué)院上海分院的“報(bào)國講壇”上做了一場報(bào)告。他介紹說，他的團(tuán)隊(duì)在甘肅武威建成的釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆已實(shí)現(xiàn)加釷運(yùn)行，這是目前全球唯一在運(yùn)行的同類裝置。

徐洪杰用龜兔賽跑來比喻中美之間在這一領(lǐng)域的差距變化：“兔子總有犯錯(cuò)、偷懶的時(shí)候，這就是烏龜跑贏的機(jī)會(huì)。”他說，美國上世紀(jì)七十年代放棄了熔鹽堆研究，并將所有研發(fā)資料公開，“有美國專家指出，當(dāng)年放棄發(fā)展熔鹽堆，是一個(gè)‘可原諒的錯(cuò)誤’”。而中國團(tuán)隊(duì)就是那個(gè)“后來有緣人”，“把每篇文獻(xiàn)都讀透，還在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)”。

徐洪杰 | 圖源：上海應(yīng)物所

五個(gè)月后，2025年9月14日，徐洪杰在上海逝世，享年70歲。

同年12月，美國《紐約客》雜志發(fā)表了一篇長文，標(biāo)題是“美國如何給了中國核電優(yōu)勢”（How America Gave China an Edge in Nuclear Power）。文章揭示了一段并未久遠(yuǎn)的歷史：就在不到十年前，徐洪杰的團(tuán)隊(duì)還在與一批美國核科學(xué)家密切合作。

麻省理工學(xué)院（MIT）為中方輻照石墨樣品，加州大學(xué)伯克利分校的核工程師飛往上海審查設(shè)計(jì)，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱ORNL）與中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所（以下簡稱SINAP）簽署了合作研發(fā)協(xié)議。前述《紐約客》文章寫道：“中國的熔鹽堆，與其說是競爭的產(chǎn)物，不如說是合作的結(jié)果。”

這是一個(gè)跨越半個(gè)世紀(jì)、交織著合作與競爭的技術(shù)故事。

一項(xiàng)被擱置的技術(shù)

熔鹽堆的概念最早誕生于1940年代末的美國。當(dāng)時(shí)，美國空軍要求開發(fā)一架核動(dòng)力飛機(jī)，后來成為ORNL研究主任的Alvin Weinberg接下了任務(wù)。Weinberg本人并不認(rèn)為核動(dòng)力飛機(jī)真能飛起來，但他愿意試一試。他此前參與了曼哈頓計(jì)劃中生產(chǎn)钚的反應(yīng)堆開發(fā)，戰(zhàn)后遷往田納西州東部，主持ORNL的建設(shè)。對Weinberg來說，國家實(shí)驗(yàn)室的意義在于嘗試“對私營企業(yè)來說太難或風(fēng)險(xiǎn)太大的事情”。

為了達(dá)到驅(qū)動(dòng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所需的約1500華氏度高溫，Weinberg的團(tuán)隊(duì)判斷傳統(tǒng)燃料棒無法承受，于是選用了氟化物鹽。這種鹽在約400攝氏度時(shí)熔化為液體，在超過1600度時(shí)仍保持穩(wěn)定。將鈾的氟化物混入其中，熔鹽本身就可以充當(dāng)燃料。

1954年11月，這套系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)臨界，運(yùn)行中暴露出泄漏和放射性等問題，100小時(shí)后關(guān)停。但Weinberg獲得了第二次機(jī)會(huì)——1960年代，美國原子能委員會(huì)準(zhǔn)備大力發(fā)展增殖反應(yīng)堆。

1965年，Weinberg團(tuán)隊(duì)將69公斤濃縮鈾裝入熔鹽，啟動(dòng)了“熔鹽堆實(shí)驗(yàn)”（Molten-Salt Reactor Experiment，簡稱MSRE）。這一次實(shí)驗(yàn)取得了成功，記錄了超過1.3萬小時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1964年，在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室，一名技術(shù)員正在準(zhǔn)備用于熔鹽堆實(shí)驗(yàn)（MSRE）的鹽類 | 圖源：橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

拜登政府核能助理部長 Katy Huff 對《紐約客》評價(jià)說：“他們做了當(dāng)時(shí)能做的所有計(jì)算，來理解如何建造、運(yùn)行和為這座反應(yīng)堆裝料。”這也表明MSRE證明了一件事：熔鹽堆在技術(shù)上是可行的。

Weinberg希望從MSRE走向熔鹽增殖堆，但1973年，尼克松政府砍掉了熔鹽堆的聯(lián)邦經(jīng)費(fèi)，轉(zhuǎn)而全力押注鈉冷快堆。到1983年，鈉冷快堆項(xiàng)目也因預(yù)算超支而被終止，其中Heritage Foundation推動(dòng)的保守派反彈起了關(guān)鍵作用。

與此同時(shí)，1979年三里島核電站部分熔毀事件讓公眾對核能的態(tài)度急轉(zhuǎn)直下。

由此，美國核工業(yè)進(jìn)入長期萎縮。衡量這一衰落最直觀的指標(biāo)是許可證數(shù)量：從1954年到1978年，美國監(jiān)管機(jī)構(gòu)共頒發(fā)了133張民用核反應(yīng)堆建設(shè)許可證。從1979年到2012年，這個(gè)數(shù)字是零。

Nathan Myhrvold是TerraPower（比爾·蓋茨共同創(chuàng)辦的核技術(shù)公司）的董事會(huì)成員，他對《紐約客》說：“自七十年代以來，核電幾乎沒有真正的工作。能源部還有一些研究項(xiàng)目，我不想怠慢任何參與其中的人。但他們停止建造電廠了。當(dāng)你停止建造電廠，企業(yè)就很難有理由維持一支規(guī)模龐大的工程師隊(duì)伍。”

“300萬花了就花了”

《紐約客》的敘事從美國的MSRE開始，但這個(gè)故事還有另一條線索，起點(diǎn)在中國。

1970年春節(jié)，周恩來總理在北京聽取上海市領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)，了解到上海缺電嚴(yán)重，工廠被迫減產(chǎn)。周恩來隨即指示：“從長遠(yuǎn)來看，要解決上海和華東用電問題，要靠核電。”1970年2月8日，上海傳達(dá)了這一指示，中國第一座核電站項(xiàng)目由此得名“728工程”。

728工程最初的技術(shù)目標(biāo)是建造一座25兆瓦釷基熔鹽堆，同樣受到美國MSRE的啟發(fā)。早在1965年，中國主管核工業(yè)的二機(jī)部就曾召開“釷的利用”專題會(huì)議，組織多家機(jī)構(gòu)研究釷燃料反應(yīng)堆。

1971年9月9日，周恩來總理主持中央專委會(huì)議，原則批準(zhǔn)在安徽寧國縣建設(shè)這座25兆瓦熔鹽堆。同年9月13日，上海原子核研究所（SINAP的前身）建成石墨慢化熔鹽冷態(tài)零功率堆，實(shí)現(xiàn)臨界。

然而，當(dāng)時(shí)中國的工業(yè)和科技水平無法支撐這一先進(jìn)堆型。據(jù)728工程籌備處成員回憶，三年攻關(guān)未能突破關(guān)鍵瓶頸。當(dāng)團(tuán)隊(duì)向周總理匯報(bào)研究已花費(fèi)300萬元時(shí)，總理說：“300萬花了就花了，就當(dāng)做是教訓(xùn)費(fèi)了。”

728工程此后轉(zhuǎn)向壓水堆路線，經(jīng)過多次選址變更，項(xiàng)目最終落定浙江秦山。1991年12月15日，秦山核電站并網(wǎng)發(fā)電，中國成為世界上第七個(gè)自主設(shè)計(jì)建造核電站的國家。

在728工程轉(zhuǎn)向后，熔鹽堆的主路線被擱置了，但相關(guān)研究并未完全中斷。物理學(xué)家張家驊仍在上海原子核研究所堅(jiān)持釷燃料循環(huán)研究近20年，積累了大量理論數(shù)據(jù)。

2009年，上海光源剛竣工，中科院從國家戰(zhàn)略需求出發(fā)，決定發(fā)展先進(jìn)裂變核能。徐洪杰從上海光源項(xiàng)目轉(zhuǎn)向領(lǐng)銜釷基熔鹽堆研究。“既然國家需要，我必竭盡所能。”他說。

2009年底，上海應(yīng)物所正式提出研制釷基熔鹽堆的設(shè)想。對徐洪杰來說，這又是一場幾乎“從零開始”的拓荒。

從周總理的指示到徐洪杰接過接力棒，中間隔了將近40年。

“如果中國人在做，那它就值得關(guān)注”

徐洪杰重啟熔鹽堆研究的時(shí)間，恰好與新一輪中美核能合作升溫大致同步。

據(jù)《紐約客》報(bào)道，2011年，美國能源部與中國科學(xué)院簽署了一份核能合作諒解備忘錄。這份備忘錄建立在2006年的一項(xiàng)更早協(xié)議之上，后者為美國核能企業(yè)向中國出售反應(yīng)堆鋪平了道路。

合作的具體面貌，可以從一段錄像中看到。2012年8月，SINAP派研究人員Kun Chen到加州大學(xué)伯克利分校做了一次展示。Chen當(dāng)時(shí)三十多歲，在印第安納大學(xué)獲得博士學(xué)位。有人問預(yù)算多少，Chen回答大約3.5億美元，分5年投入。另一個(gè)人問SINAP打算從哪里獲取熔鹽，因?yàn)閾?jù)了解世界上沒有設(shè)施能生產(chǎn)它，而Chen回答說中國有好幾個(gè)這樣的設(shè)施。

Chen對《紐約客》表示，與美國同行的交流對中國項(xiàng)目推進(jìn)非常有幫助。“從一開始，我們自己都不相信能走到這么遠(yuǎn)。”他估計(jì)2011年全世界認(rèn)真研究將熔鹽用于裂變反應(yīng)堆的人只有三四十個(gè)，與其中一些美國研究者建立聯(lián)系，讓這個(gè)項(xiàng)目看起來變得可行了。

MIT研究科學(xué)家Charles Forsberg是較早與SINAP團(tuán)隊(duì)建立聯(lián)系的美方學(xué)者之一。Forsberg曾在ORNL工作，2002年與加州大學(xué)伯克利分校核工程教授Per Peterson、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的Paul Pickard一起，提出了“氟鹽冷卻高溫堆”（Fluoride salt-cooled High-temperature Reactor，簡稱FHR）的概念。Forsberg談到與中國合作的邏輯：“如果中國人在做，那它一定值得關(guān)注。”

到2015年，雙方合作更進(jìn)一步。SINAP與ORNL簽署了一份合作研發(fā)協(xié)議（Cooperative Research and Development Agreement，簡稱CRADA），據(jù)Kun Chen的說法，中方為此支付了約400萬美元。ORNL的首席研究員David Holcomb當(dāng)時(shí)接受MIT Technology Review采訪時(shí)解釋了動(dòng)機(jī)：“要認(rèn)識(shí)到一件重要的事，熔鹽堆的一些關(guān)鍵人物正在飛速退休或去世。中國提供的資金讓我們能夠轉(zhuǎn)移這些知識(shí)，獲得建造和運(yùn)行這些反應(yīng)堆的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。”

從一開始，美方就認(rèn)為中國會(huì)是第一個(gè)建成熔鹽堆的國家，畢竟花錢做這件事的是中國。美國國內(nèi)有一些熔鹽研究經(jīng)費(fèi)，但遠(yuǎn)不夠用，這也是ORNL的研究人員愿意接受中方支持的原因。Holcomb在當(dāng)時(shí)的一次會(huì)議上說：“預(yù)算就是那么多。”

但這段合作關(guān)系很快就被切斷了。特朗普2016年當(dāng)選總統(tǒng)后，美國能源部切斷了與SINAP的聯(lián)系，并威脅吊銷向中國出口核技術(shù)的美國公司的執(zhí)照。到2018年，美國已從幾乎所有對華核能合作中撤出。

Kun Chen表示：“我不能說完全出乎意料。”他和SINAP團(tuán)隊(duì)預(yù)判過特朗普上臺(tái)后關(guān)系可能會(huì)惡化，“但它發(fā)生得太突然了。”

一位美國核能公司的高管匿名對《紐約客》記者說：“如果你報(bào)道那個(gè)合作協(xié)議，新政府會(huì)把所有人當(dāng)作邪惡的合作者開除。”文章特意注明，他是半開玩笑地說。

當(dāng)《紐約客》聯(lián)系ORNL采訪時(shí)，媒體關(guān)系經(jīng)理回復(fù)，“我們這次沒法幫你”，后來又試圖淡化ORNL與SINAP的合作程度。Idaho國家實(shí)驗(yàn)室和Los Alamos也在簡短溝通后停止了回復(fù)。

前述文章中寫道，Holcomb在2015年所說的共同利益和開放科學(xué)，已被地緣戰(zhàn)略影響力和國家安全等新表述取代。“這些口號(hào)被共和黨和民主黨同時(shí)采納，試圖借助民族主義重振一個(gè)經(jīng)歷了數(shù)十年萎縮的產(chǎn)業(yè)。”

不發(fā)論文，不報(bào)獎(jiǎng)項(xiàng)，埋頭八年

中美合作切斷后，項(xiàng)目此后主要由中方獨(dú)立推進(jìn)。《紐約客》記者問Kun Chen獨(dú)立后是否遇到挑戰(zhàn)，Chen回答說最大的問題“首先是有沒有錢”。

但資金并不構(gòu)成障礙，中科院每年都在追加TMSR項(xiàng)目的撥款。到2018年，中國承諾在未來20年投入30億美元用于熔鹽堆研究。

實(shí)驗(yàn)堆最終建在甘肅武威的戈壁荒漠。“做核的人，要有一個(gè)自覺。”徐洪杰曾說，盡管熔鹽堆的安全性遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)，甚至可以建在人口稠密的城市，“但在研發(fā)階段，還是應(yīng)該自覺去人煙稀少的地方。”

據(jù)《文匯報(bào)》報(bào)道，在武威的這支團(tuán)隊(duì)“不發(fā)論文，也不申請任何獎(jiǎng)項(xiàng)，埋頭八年多”。工程建設(shè)階段，不少科研人員一年離家200多天，最多的達(dá)300多天。整個(gè)占地千畝的園區(qū)，唯一新建的生活設(shè)施只有一間食堂。

2023年10月11日11點(diǎn)08分，2兆瓦熱功率液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆（TMSR-LF1）首次臨界。

2024年6月17日10點(diǎn)12分，首次達(dá)到滿功率運(yùn)行。徐洪杰在“報(bào)國講壇”上提到，57年前的6月17日，正是中國第一枚氫彈爆炸成功的日子。“團(tuán)隊(duì)可能是在冥冥中傳承著報(bào)國與奉獻(xiàn)的兩彈一星精神。”

2025年11月，SINAP宣布首次實(shí)現(xiàn)釷鈾核燃料轉(zhuǎn)換，在國際上首次獲取釷入熔鹽堆運(yùn)行后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步證明了熔鹽堆核能系統(tǒng)利用釷資源的技術(shù)可行性。不過從實(shí)驗(yàn)堆到商業(yè)化應(yīng)用，仍需攻克一系列技術(shù)難關(guān)。

2025年10月24日，在甘肅省民勤縣航拍的2兆瓦液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆廠房 | 圖源：新華社

據(jù)《中國科學(xué)報(bào)》報(bào)道，實(shí)驗(yàn)堆關(guān)鍵核心設(shè)備100%國產(chǎn)化，整體國產(chǎn)化率超過90%。徐洪杰早在2016年就成立公司布局產(chǎn)業(yè)化，當(dāng)時(shí)反應(yīng)堆尚未選址，很多人不理解。他的學(xué)生、上海應(yīng)物所主管戴彬彬事后評價(jià)：“如果當(dāng)時(shí)沒有考慮成果轉(zhuǎn)化，后來實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)期間，可能就會(huì)面臨關(guān)鍵材料、設(shè)備供應(yīng)鏈跟不上的難題。”

美國重返賽道

在中國獨(dú)立推進(jìn)TMSR的同時(shí)，美國先進(jìn)核能領(lǐng)域也開始重新活躍起來。

據(jù)《紐約客》報(bào)道，2012年8月那場在加州大學(xué)伯克利分校的展示會(huì)上，在場為數(shù)不多的一位年輕人向Kun Chen提了一個(gè)問題：建造鹽冷卻堆“需要克服的最大挑戰(zhàn)或障礙是什么”。提問者是Mike Laufer，他后來聯(lián)合創(chuàng)辦了Kairos Power，一家試圖將FHR技術(shù)商業(yè)化的核能公司。FHR的另一位設(shè)計(jì)者Per Peterson也是Kairos的聯(lián)合創(chuàng)始人。

Kairos Power在發(fā)展過程中，也受益于當(dāng)年中美合作的遺產(chǎn)。SINAP出資在ORNL建造的熔鹽回路產(chǎn)出了一份熔鹽泵報(bào)告，據(jù)報(bào)道，這份報(bào)告“與Kairos早期優(yōu)先事項(xiàng)吻合”。在特朗普政府終止對華核能合作后的幾年里，幾乎沒有什么能替代中國在美國核工業(yè)中的投入，但大規(guī)模的公共支出最終開始到來，私人投資也在增長。2020年，Kairos獲得了美國能源部最高3.03億美元的資助。

2024年7月，Kairos在橡樹嶺的Hermes示范堆破土動(dòng)工。這是美國50多年來批準(zhǔn)建造的第一座非輕水反應(yīng)堆。2025年5月，核安全相關(guān)建設(shè)正式啟動(dòng)。Kairos的目標(biāo)是在2027年實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。

同年10月，Google與Kairos簽署了一份購電協(xié)議，承諾到2035年從6至7座反應(yīng)堆購買最多500兆瓦清潔電力，以滿足其不斷增長的數(shù)據(jù)中心電力需求。

2026年3月4日，美國核管理委員會(huì)（NRC）向TerraPower頒發(fā)了Natrium鈉冷快堆的建設(shè)許可，這是近十年來美國首個(gè)商用反應(yīng)堆建設(shè)審批，也是40多年來第一個(gè)非輕水商用堆許可。美國能源部與TerraPower簽訂了20億美元的成本分擔(dān)協(xié)議。

在政策層面，特朗普于2025年5月23日簽署4項(xiàng)核能行政令，其中包括將美國核電裝機(jī)從約100吉瓦提升至2050年的400吉瓦，以及要求3座先導(dǎo)堆在2026年7月4日前實(shí)現(xiàn)臨界。

一場尚無終局的競賽

熔鹽堆是第四代核反應(yīng)堆技術(shù)（Generation IV）六種候選堆型之一。截至2026年初，全球已運(yùn)行的Gen-IV級反應(yīng)堆中，中國已有三個(gè)投入運(yùn)行：鈉冷快堆CFR-600、超高溫氣冷堆HTR-PM（2023年12月進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行，為全球首個(gè)Gen-IV商用堆）和釷基熔鹽堆TMSR-LF1（全球唯一運(yùn)行的液態(tài)燃料熔鹽堆）。

全球核能也正在經(jīng)歷一輪復(fù)興。2023年12月COP28氣候大會(huì)上，25個(gè)國家發(fā)起宣言，承諾到2050年將全球核電裝機(jī)翻三倍。國際能源署（IEA）2025年報(bào)告稱，核能的強(qiáng)勁復(fù)蘇正在全面展開。但報(bào)告同時(shí)指出一個(gè)事實(shí)：2017年以來全球開工建設(shè)的52座反應(yīng)堆中，25座為中國設(shè)計(jì)，23座為俄羅斯設(shè)計(jì)。

釷資源的分布賦予了這場競賽另一層含義。釷在地殼中的豐度約為鈾的3至4倍，全球已探明釷資源總量約635.5萬噸。多位中國能源分析人士估算，中國目前超過80%的鈾供應(yīng)依賴進(jìn)口，而中國的釷資源主要集中在內(nèi)蒙古白云鄂博礦區(qū)，與稀土開采伴生。徐洪杰曾介紹，中國是一個(gè)富釷的國家，釷資源可供核能發(fā)電用上幾萬年，“如果釷基熔鹽堆能夠推廣，有望助力我國實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立。”

如今，ORNL原首席研究員Holcomb已離開國家實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，進(jìn)入私營部門。

據(jù)《中國科學(xué)報(bào)》報(bào)道，2020年的一天，徐洪杰路過上海應(yīng)物所在市中心的一處駐地，與上海應(yīng)物所原后勤服務(wù)中心主任朱彬華一起吃飯。聊天中，徐洪杰暢想了這塊地方的未來。他設(shè)想把這里改造成一個(gè)供潛在合作方參觀的展廳，以及一個(gè)基于釷基熔鹽堆的碳匯交易大廳，在政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的共同努力下解決國家的能源問題。

“他說這些的時(shí)候很開心，像個(gè)孩子。”朱彬華回憶說。

但是徐洪杰沒有等到那一天。2025年9月，他在上海逝世，他留下的那座實(shí)驗(yàn)堆仍在甘肅武威的戈壁荒漠上運(yùn)行；而在田納西州橡樹嶺，Kairos Power的Hermes示范堆也在施工。半個(gè)世紀(jì)前Weinberg團(tuán)隊(duì)點(diǎn)燃的那把火，如今仍在太平洋兩岸燃燒。

參考資料

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[15] U.S. Department of Energy. 9 Key Takeaways from President Trump's Executive Orders on Nuclear Energy. https://www.energy.gov/ne/articles/9-key-takeaways-president-trumps-executive-orders-nuclear-energy

[16] World Nuclear Association. Thorium. https://world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/thorium

[17] International Atomic Energy Agency. Thorium's Long-Term Potential in Nuclear Energy. IAEA Bulletin. https://www.iaea.org/bulletin/thoriums-long-term-potential-in-nuclear-energy

[18] U.S. Geological Survey. Mineral Commodity Summaries 2025 — Thorium. https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2025/mcs2025-thorium.pdf

[19] World Nuclear Association. Generation IV Nuclear Reactors. https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-power-reactors/other/generation-iv-nuclear-reactors

[20] International Energy Agency. The Path to a New Era for Nuclear Energy. https://www.iea.org/reports/the-path-to-a-new-era-for-nuclear-energy

[21] U.S. Department of Energy. COP28: Countries Launch Declaration to Triple Nuclear Energy Capacity by 2050. https://www.energy.gov/articles/cop28-countries-launch-declaration-triple-nuclear-energy-capacity-2050-recognizing-key

文章轉(zhuǎn)載自“返樸”公眾號(hào)