钍－铀循环(以钍作为起始核燃料形成的钍和铀的循环)

钍－铀循环

-循环（英文名：钍铀 cycle），是以钍作为起始核燃料形成的钍和铀的循环。其原理是：钍-232吸收中子后转变为铀-233，铀-233作为可裂变核燃料发生裂变反应并释放能量，同时产生的中子继续与钍-232作用，形成钍-铀的循环链式反应。该过程也被称为钍基核燃料循环。

20世纪50年代中期到70年代，为了扩大核燃料的供应来源，美国、日本、印度、英国等国基于各类实验堆动力堆，开展了大量钍燃料利用相关研究工作。由于钍铀燃料循环产生的核废料更少，具有防止核扩散及满足增殖燃料自持利用等优势，一些发达国家又重新燃起对钍铀燃料循环研究的兴趣。2011年，中科院启动了未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统项目，在更适用于钍铀燃料循环的熔盐堆上，逐步开展开环、改进开环和全闭式的钍铀燃料循环研究；2013年，中国国家能源局在《能源发展战略行动计划》中将“钍基熔盐核能系统技术研究及工程实验专项”列入拟重点推进的重大应用技术创新及工程示范专项之一；2016年，科技部、工信部已将白云鄂博矿钍资源回收利用纳入日程。2023年8月31日，中核集团智库发布《钍基燃料循环与钍基熔盐堆发展前景研究》报告，该报告围绕全球及中国钍资源分布、钍基核能特点和发展现状、钍基熔盐堆发展有关情况展开调研和分析，着重分析了钍铀循环和铀钚循环的优劣势及发展面临的挑战，评估了未来钍铀循环发展前景，提出了针对两种循环的有关发展建议。中国甘肃武威TMSR实验堆于2023年10月11日首次临界。2024年10月，TMSR实验堆完成世界上首次熔盐堆加钍操作。作为TMSR“实验堆、研究堆、示范堆”三步走战略的首个关键节点，实验堆的突破具有里程碑意义。2025年10月，中国核燃料元件制造分析领域首个国际标准成功立项，该标准涉及钍基燃料分析技术，被国际公认为新型核能发展方向。技术团队正与国内核能企业合作推动钍基熔盐堆的工业示范应用。2025年11月1日，中国科学院宣布，上海应用物理研究所主导的2兆瓦液态燃料钍基熔盐实验堆成功实现钍铀核燃料转换。

钍基燃料循环具有较好的安全性、防核扩散及核废料管理等优点，在保障国家能源安全和促进节能减排方面有着重要意义，钍铀燃料循环的应用是核能可持续发展的又一重要措施。

发展历史

上世纪50年代中期到70年代，中东石油危机促进了核能的蓬勃发展，为了扩大核燃料的供应来源，美国、日本、印度、英国、加拿大等国基于各类实验堆动力堆，开展了大量钍燃料利用相关研究工作。如：上个世纪60年代英国建造运行的高温气冷堆实验堆（Dragonreactor，20MWth）即采用了高浓缩铀和钍作为燃料，印度、德国、美国等国也开展了大量的钍燃料辐照实验，证明了反应堆中钍利用的安全性和可行性，为钍资源的规模利用定了技术基础。到了上世纪80年代，由于新铀矿的不断发现，导致铀产品价格下降，加上三里岛和切尔诺贝利核事故等核事故对核能利用的负面影响，大部分国家终止了钍燃料利用的研发工作，唯有贫铀多钍的印度始终坚持钍燃料循环的研究，并制定了三阶段核能发展计划。上世纪90年代以后，核能发展提出了高可持续性、高防核扩散性、深燃耗、钚存量削减等要求。由于钍铀燃料循环产生的核废料更少及有助于削减Pu储量、有利于防止核扩散及满足增殖燃料自持利用等优势，一些发达国家又重新燃起对钍铀燃料循环研究的兴趣。此外，由于国际环境的变迁特别是美苏冷战时代的终结，钍资源利用目前已受到更多国家的重视，也重新成为国际上先进核裂变能研究领域的热点，很多机构都开展了基于先进堆型的钍铀循环技术研发。这方面美国仍然走在世界前列，已开展了非常广泛的研发工作，如美国能源部发起的 FHR （氟化物 Salt-Cooled High 温度 Reactor）、TerraPower 公司的行波式反应堆（Traveling-Wave Reactor）、美国GA公司的改进型高温气冷模块化快中子堆能量 Multiplier Module（EM2）、液态氟钍反应堆LFTR（羧基液体丁腈橡胶 Fluoride 钍 Reactors）、加速器驱动次临界熔盐堆（ADSMS）。此外，其它国家也针对钍铀循环开展了广泛的研究工作，如印度由于富钍贫铀，一直致力于钍资源利用的研发，他们重点开展了AHWR（Advanced Heavy H₂O Reactor）的钍利用研究。其它国家开展的钍利用研究的堆型主要包括：日本的FUJI堆，俄罗斯的MOSART（Molten SaltActinide Recycler & Transmuter）堆、法国的 MSFR （ Molten Salt Fast Reactor）堆、加拿大 ACEL 公司的 CANDU6 以及 ACR-1000、韩国的 UNISI项目以及欧盟的钍基加速器驱动的次临界系统等，除了上述针对各种堆型的钍利用技术研发，很多国家还针对各种商业堆钍利用制定了长远战略规划。如：印度早在上个世纪50年代即制定了三阶段钍资源规模利用的发展战略，目前已建立了比较完整的钍燃料利用研发体系；法国提出了从轻水堆到快堆再到熔盐快堆的钍利用过渡方案；化石燃料匮之的日本也开展了钍资源利用的大量研究，他们着眼于世界级能源需求，基于加速器驱动的熔盐增殖堆AMSR技术，提出了确保核裂变燃料长期供应的THORIMS-NES系统，以实现钍资源的自持利用等。

作为核能发展的后起之秀，中国在钍资源利用方面也开展了大量工作。中国钍矿储量丰富，从上世纪60年代即开展了钍资源核能利用研究，主要包括钍资源勘查、采冶回收、燃料循环等；70代初，中国就曾选择钍基熔盐堆作为发展民用核能的起步点；80年代初又进行了钍辐照数据的积累，可为后期钍燃料在堆内的应用提供有力的实验依据；此外在高温球床堆HTR、重水堆TACR 等堆型上，中国也曾开展过钍铀燃料循环的设计研究工作，为钍铀燃料循环在堆上的应用打下了基础；2008年12月，国家能源局组织召开了“钍资源核能利用专家研讨会”，指出了中国发展钍基核能的重要性和迫切性；2011年，中科院启动了未来先进核裂变能--钍基熔盐堆核能系统项目，在更适用于钍铀燃料循环的熔盐堆上，逐步开展开环、改进开环和全闭式的钍铀燃料循环研究，旨在发展研发出新一代核能系统，实现钍资源的高效利用和核燃料长期稳定自给；2011年科技部专门召开钍基核能发展研讨会，讨论中国钍基核能发展及钍资源利用等问题；2013年，国家能源局在《能源发展战略行动计划》中将“钍基熔盐核能系统技术研究及工程实验专项”列入拟重点推进的重大应用技术创新及工程示范专项之一；2016年，科技部、工信部已将白云鄂博矿钍资源回收利用纳入日程。2023年8月31日，中核智库举办《钍基燃料循环与钍基熔盐堆发展前景研究》成果发布会，总院党委副书记王振清出席发布会。《研究报告》围绕全球及中国钍资源分布、钍基核能特点和发展现状、钍基熔盐堆发展有关情况展开调研和分析，着重分析了钍铀循环和铀钚循环的优劣势及发展面临的挑战，评估了未来钍铀循环发展前景，提出了针对两种循环的有关发展建议。中国甘肃武威TMSR-LF1实验堆于2023年10月11日首次临界，2024年10月，实验堆完成世界上首次熔盐堆加钍操作。作为TMSR“实验堆、研究堆、示范堆”三步走战略的首个关键节点，实验堆的突破具有里程碑意义。2025年10月，中国核燃料元件制造分析领域首个国际标准成功立项，该标准涉及钍基燃料分析技术，被国际公认为新型核能发展方向。技术团队正与国内核能企业合作推动钍基熔盐堆的工业示范应用，上海市将成为供应链基地。2025年11月1日，中国科学院宣布，上海应用物理研究所主导的2兆瓦液态燃料钍基熔盐实验堆成功实现钍铀核燃料转换。这是全球首次在实际运行中验证钍资源转化为可用核燃料的技术可行性。

循环原理

钍-铀循环的原理为钍-232吸收中子后转变为铀-233，铀-233作为可裂变核燃料发生裂变反应并释放能量，同时产生的中子继续与钍-232作用，形成钍-铀的循环链式反应。该循环以天然钍-232（232Th）为基础，铀-233（233U）是钍-232吸收一个中子后生成的。钍-铀循环要先用铀-235或钚-239启动，逐步过渡到铀-233→钍-232→铀-233燃料循环。铀核燃料循环示意图，包括：

①经钍矿石的勘探、开采、加工、分离和纯化，得到核纯肖酸钍，并转型为核纯二氧化钍。如金属包壳的二氧化钍（ThO2）-二氧化铀（UO2）棒状燃料元。

②燃料元件制造。在核燃料元件厂中制成钍基燃料元件件，或包入石墨基体中的二氧化钍或碳化钍（ThC2）和二氧化铀或碳化铀（UC2）包覆颗粒球形燃料元件。

③燃料元件在核反应堆中使用。

④钍基核燃料后处理和高放废液处理。辐照过的核燃料经过首端处理后溶解，而后用梭雷克斯（Thorex）流程分离回收铀和钍，再制成元件进行复用。

主要特征

（1）在铀、钚燃料循环中，铀是主要成分，钚是次要成分，而在钍、铀燃料循环中，钍是主要成分，铀是次要成分。在钍、铀燃料循环中，超铀元素钚、镅、锔的积累比铀、钚燃料循环低很多，钍、铀循环产生的长寿命超铀核素所造成的危险比铀、钚循环小两个数量级。但是，钍在堆内经吸收中子发生核反应，生成一定量233，它的半衰期为72年，233经衰变成半衰期为1.9年的228，228的一些衰变子体发出很强的射线。在进行钍、铀燃料后处理时，232/233及228/229不能分开，所得到的钍、铀产品必须考虑射线的防护。

（2）辐照钍、铀燃料元件经硝酸溶解后，铀以铀酰离子22+，形式存在，钍以4+形式存在。在TBP-煤油体系中，铀的被萃取能力比钍高得多，因此，铀、钍分离不需借助氧化还原反应。

（3）232俘取中子生成233的母体232（半衰期27天），在处理短冷却期（小于270天）的辐照针燃料时要考虑镤的分离，若冷却期很长，232已全部衰变成233，即可不用再考虑镤的分离。

发展前景

中国的钍基熔盐堆能源系统（TMSR）制定了实验堆、研究堆、示范堆三步走发展战略。根据规划，还将在甘肃省建立世界首座小型模块化钍基熔盐研究堆，用于高功率、高辐照工况下钍基熔盐堆科学问题与关键技术的工程热验证。中国科学院上海应用物理研究所去年披露的《小型模块化钍基熔盐堆研究设施环境影响报告书（选址阶段）》显示，拟在甘肃省武威市建设十兆瓦电功率（10MWe）小型模块化钍基熔盐堆（设计最大热功率60MWt），按照2025年年内破土动工、2030年首次临界并满功率运行为目标推进工作。研究堆的意义，在于通过系统集成及验证，为大型商业堆的建设提供必要的技术、数据及经验。有了研究堆和示范堆，钍基熔盐堆才具备在更多省份落成的基础。钍和熔盐堆，堪称黄金搭档，熔盐堆是最适合钍基核燃料高效利用的堆型。钍基熔盐堆技术属于热中子增殖堆，能将钍转化为可裂变的铀-233。资料显示，中国已查明的钍工业储量约28万吨。初步估算若能实现钍基核燃料的完全循环利用，可供使用几千年以上，将确保国内能源的自给自足。地球上钍资源总储量是铀资源的3~4倍，钍基核燃料的有效利用对于人类发展也有着巨大的价值。除了储量碾压之外，基于钍铀循环的熔盐堆可同时满足物理防核扩散、核废料最小化等特点。铀裂变会产生很多半衰期较长的超铀元素，钍反应堆能比铀燃料反应堆产生更少的长寿命核废物。此外，熔盐堆采用碘化钠冷却技术，只需少量的水即可运行，适用于干旱地区。综上，作为“四代堆”的热门候选堆型，钍基熔盐堆的固有安全性高、核废料少、防扩散性能和经济性更好等优点使其成为近年来国际先进核能研发的热点。但在此之前，该技术沉寂已久。

熔盐堆研发始于20世纪40年代末的美国，主要目的是美国空军为轰炸机寻求航空核动力。得益于氟化熔盐冷却剂的高热容、高热导、高沸点以及低蒸汽压等特点，熔盐堆在本征安全性以及经济性上具有极大的优势和潜力。1954年，美国橡树岭国家实验室建成第一个熔盐堆实验装置ARE，功率为2.5MW。战略弹道导弹的迅速发展使核动力飞机的研发失去了军事应用价值，因此熔盐堆的研发于20世纪60年代转向民用。橡树岭国家实验室在1965年建成液态燃料熔盐实验堆，这是迄今世界上唯一建成并运行的液态燃料反应堆，也是唯一成功实现钍基核燃料（铀-233）运行的反应堆。但由于彼时“美苏冷战”的考虑，侧重于民用的熔盐堆计划下马，美国熔盐堆研发中止。20世纪70年代初，中国也曾选择钍基熔盐堆作为发展民用核能的起点，但限于当时的科技、工业和经济水平，后转为压水堆，也就是秦山一期工程。2011年，中科院围绕国家能源安全与可持续发展需求，部署启动了首批中科院战略性先导科技专项（A类）“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统（TMSR）”，计划用20年左右的时间，在国际上首先实现钍基熔盐堆的应用，同时建立钍基熔盐堆产业链和相应的科技队伍。2017年4月，甘肃省武威市与中科院签订了在该市民勤县建设钍基熔盐堆核能系统项目的战略合作框架协议，该项目分两期建设，总投资220亿元。2018年9月，该项目开工建设。中国科学报曾报道，在甘肃的钍基熔盐实验堆建于地下，相当于给它“套了个金钟罩”。截至2025年4月，中国的钍基熔盐堆研究进展已处于国际前列。按照中科院应物所多年前的规划，目标到2030年左右全面实现掌握钍基熔盐堆核能系统的相关科学与技术，基本完成工业示范堆建设和基于钍基熔盐堆的低碳新能源示范装置建设，开展熔盐堆的商业化推广；到2040年左右建成首座百吨级钍基乏燃料盐干法批处理示范装置和在线部分分离固态裂变产物示范装置，基本实现钍铀燃料循环。

发展难题

作为一种裂变能利用的新模式，钍铀燃料循环的利用也面临许多困难与挑战：①相对于铀钚燃料循环而言，截至2016年关于钍铀燃料循环的核数据还不完善，有关钍铀循环的理论计算也不如铀钚计算那样成熟，这些给反应堆的设计、乏燃料处理和辐射防护带来相当的不确定性，需要开展大量钍铀燃料循环基础研究；②钍铀转换生成233的过程中，伴随有相当多的232，它的衰变子体放射出高能射线，给反应堆乏燃料的后处理、运输、储存和再加工带来很大困难。

发展历史

相关定义

循环原理

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发展前景

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相关意义