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-循環（英文名：釷鈾 cycle），是以釷作為起始核燃料形成的釷和鈾的循環。其原理是：釷-232吸收中子后轉變為鈾-233，鈾-233作為可裂變核燃料發生裂變反應并釋放能量，同時產生的中子繼續與釷-232作用，形成釷-鈾的循環鏈式反應。該過程也被稱為釷基核燃料循環。

20世紀50年代中期到70年代，為了擴大核燃料的供應來源，美國、日本、印度、英國等國基于各類實驗堆動力堆，開展了大量釷燃料利用相關研究工作。由于釷鈾燃料循環產生的核廢料更少，具有防止核擴散及滿足增殖燃料自持利用等優勢，一些發達國家又重新燃起對釷鈾燃料循環研究的興趣。2011年，中科院啟動了未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統項目，在更適用于釷鈾燃料循環的熔鹽堆上，逐步開展開環、改進開環和全閉式的釷鈾燃料循環研究；2013年，中國國家能源局在《能源發展戰略行動計劃》中將“釷基熔鹽核能系統技術研究及工程實驗專項”列入擬重點推進的重大應用技術創新及工程示范專項之一；2016年，科技部、工信部已將白云鄂博礦釷資源回收利用納入日程。2023年8月31日，中核集團智庫發布《釷基燃料循環與釷基熔鹽堆發展前景研究》報告，該報告圍繞全球及中國釷資源分布、釷基核能特點和發展現狀、釷基熔鹽堆發展有關情況展開調研和分析，著重分析了釷鈾循環和鈾钚循環的優劣勢及發展面臨的挑戰，評估了未來釷鈾循環發展前景，提出了針對兩種循環的有關發展建議。中國甘肅武威TMSR實驗堆于2023年10月11日首次臨界。2024年10月，TMSR實驗堆完成世界上首次熔鹽堆加釷操作。作為TMSR“實驗堆、研究堆、示范堆”三步走戰略的首個關鍵節點，實驗堆的突破具有里程碑意義。2025年10月，中國核燃料元件制造分析領域首個國際標準成功立項，該標準涉及釷基燃料分析技術，被國際公認為新型核能發展方向。技術團隊正與國內核能企業合作推動釷基熔鹽堆的工業示范應用。2025年11月1日，中國科學院宣布，上海應用物理研究所主導的2兆瓦液態燃料釷基熔鹽實驗堆成功實現釷鈾核燃料轉換。

釷基燃料循環具有較好的安全性、防核擴散及核廢料管理等優點，在保障國家能源安全和促進節能減排方面有著重要意義，釷鈾燃料循環的應用是核能可持續發展的又一重要措施。

發展歷史

上世紀50年代中期到70年代，中東石油危機促進了核能的蓬勃發展，為了擴大核燃料的供應來源，美國、日本、印度、英國、加拿大等國基于各類實驗堆動力堆，開展了大量釷燃料利用相關研究工作。如：上個世紀60年代英國建造運行的高溫氣冷堆實驗堆（Dragonreactor，20MWth）即采用了高濃縮鈾和釷作為燃料，印度、德國、美國等國也開展了大量的釷燃料輻照實驗，證明了反應堆中釷利用的安全性和可行性，為釷資源的規模利用定了技術基礎。到了上世紀80年代，由于新鈾礦的不斷發現，導致鈾產品價格下降，加上三里島和切爾諾貝利核事故等核事故對核能利用的負面影響，大部分國家終止了釷燃料利用的研發工作，唯有貧鈾多釷的印度始終堅持釷燃料循環的研究，并制定了三階段核能發展計劃。上世紀90年代以后，核能發展提出了高可持續性、高防核擴散性、深燃耗、钚存量削減等要求。由于釷鈾燃料循環產生的核廢料更少及有助于削減Pu儲量、有利于防止核擴散及滿足增殖燃料自持利用等優勢，一些發達國家又重新燃起對釷鈾燃料循環研究的興趣。此外，由于國際環境的變遷特別是美蘇冷戰時代的終結，釷資源利用目前已受到更多國家的重視，也重新成為國際上先進核裂變能研究領域的熱點，很多機構都開展了基于先進堆型的釷鈾循環技術研發。這方面美國仍然走在世界前列，已開展了非常廣泛的研發工作，如美國能源部發起的 FHR （氟化物 Salt-Cooled High 溫度 Reactor）、TerraPower 公司的行波式反應堆（Traveling-Wave Reactor）、美國GA公司的改進型高溫氣冷模塊化快中子堆能量 Multiplier Module（EM2）、液態氟釷反應堆LFTR（羧基液體丁腈橡膠 Fluoride 釷 Reactors）、加速器驅動次臨界熔鹽堆（ADSMS）。此外，其它國家也針對釷鈾循環開展了廣泛的研究工作，如印度由于富釷貧鈾，一直致力于釷資源利用的研發，他們重點開展了AHWR（Advanced Heavy H?O Reactor）的釷利用研究。其它國家開展的釷利用研究的堆型主要包括：日本的FUJI堆，俄羅斯的MOSART（Molten SaltActinide Recycler & Transmuter）堆、法國的 MSFR （ Molten Salt Fast Reactor）堆、加拿大 ACEL 公司的 CANDU6 以及 ACR-1000、韓國的 UNISI項目以及歐盟的釷基加速器驅動的次臨界系統等，除了上述針對各種堆型的釷利用技術研發，很多國家還針對各種商業堆釷利用制定了長遠戰略規劃。如：印度早在上個世紀50年代即制定了三階段釷資源規模利用的發展戰略，目前已建立了比較完整的釷燃料利用研發體系；法國提出了從輕水堆到快堆再到熔鹽快堆的釷利用過渡方案；化石燃料匱之的日本也開展了釷資源利用的大量研究，他們著眼于世界級能源需求，基于加速器驅動的熔鹽增殖堆AMSR技術，提出了確保核裂變燃料長期供應的THORIMS-NES系統，以實現釷資源的自持利用等。

作為核能發展的后起之秀，中國在釷資源利用方面也開展了大量工作。中國釷礦儲量豐富，從上世紀60年代即開展了釷資源核能利用研究，主要包括釷資源勘查、采冶回收、燃料循環等；70代初，中國就曾選擇釷基熔鹽堆作為發展民用核能的起步點；80年代初又進行了釷輻照數據的積累，可為后期釷燃料在堆內的應用提供有力的實驗依據；此外在高溫球床堆HTR、重水堆TACR 等堆型上，中國也曾開展過釷鈾燃料循環的設計研究工作，為釷鈾燃料循環在堆上的應用打下了基礎；2008年12月，國家能源局組織召開了“釷資源核能利用專家研討會”，指出了中國發展釷基核能的重要性和迫切性；2011年，中科院啟動了未來先進核裂變能--釷基熔鹽堆核能系統項目，在更適用于釷鈾燃料循環的熔鹽堆上，逐步開展開環、改進開環和全閉式的釷鈾燃料循環研究，旨在發展研發出新一代核能系統，實現釷資源的高效利用和核燃料長期穩定自給；2011年科技部專門召開釷基核能發展研討會，討論中國釷基核能發展及釷資源利用等問題；2013年，國家能源局在《能源發展戰略行動計劃》中將“釷基熔鹽核能系統技術研究及工程實驗專項”列入擬重點推進的重大應用技術創新及工程示范專項之一；2016年，科技部、工信部已將白云鄂博礦釷資源回收利用納入日程。2023年8月31日，中核智庫舉辦《釷基燃料循環與釷基熔鹽堆發展前景研究》成果發布會，總院黨委副書記王振清出席發布會?！堆芯繄蟾妗穱@全球及中國釷資源分布、釷基核能特點和發展現狀、釷基熔鹽堆發展有關情況展開調研和分析，著重分析了釷鈾循環和鈾钚循環的優劣勢及發展面臨的挑戰，評估了未來釷鈾循環發展前景，提出了針對兩種循環的有關發展建議。中國甘肅武威TMSR-LF1實驗堆于2023年10月11日首次臨界，2024年10月，實驗堆完成世界上首次熔鹽堆加釷操作。作為TMSR“實驗堆、研究堆、示范堆”三步走戰略的首個關鍵節點，實驗堆的突破具有里程碑意義。2025年10月，中國核燃料元件制造分析領域首個國際標準成功立項，該標準涉及釷基燃料分析技術，被國際公認為新型核能發展方向。技術團隊正與國內核能企業合作推動釷基熔鹽堆的工業示范應用，上海市將成為供應鏈基地。2025年11月1日，中國科學院宣布，上海應用物理研究所主導的2兆瓦液態燃料釷基熔鹽實驗堆成功實現釷鈾核燃料轉換。這是全球首次在實際運行中驗證釷資源轉化為可用核燃料的技術可行性。

循環原理

釷-鈾循環的原理為釷-232吸收中子后轉變為鈾-233，鈾-233作為可裂變核燃料發生裂變反應并釋放能量，同時產生的中子繼續與釷-232作用，形成釷-鈾的循環鏈式反應。該循環以天然釷-232（232Th）為基礎，鈾-233（233U）是釷-232吸收一個中子后生成的。釷-鈾循環要先用鈾-235或钚-239啟動，逐步過渡到鈾-233→釷-232→鈾-233燃料循環。鈾核燃料循環示意圖，包括：

①經釷礦石的勘探、開采、加工、分離和純化，得到核純肖酸釷，并轉型為核純二氧化釷。如金屬包殼的二氧化釷（ThO2）-二氧化鈾（UO2）棒狀燃料元。

②燃料元件制造。在核燃料元件廠中制成釷基燃料元件件，或包入石墨基體中的二氧化釷或碳化釷（ThC2）和二氧化鈾或碳化鈾（UC2）包覆顆粒球形燃料元件。

③燃料元件在核反應堆中使用。

④釷基核燃料后處理和高放廢液處理。輻照過的核燃料經過首端處理后溶解，而后用梭雷克斯（Thorex）流程分離回收鈾和釷，再制成元件進行復用。

主要特征

（1）在鈾、钚燃料循環中，鈾是主要成分，钚是次要成分，而在釷、鈾燃料循環中，釷是主要成分，鈾是次要成分。在釷、鈾燃料循環中，超鈾元素钚、镅、鋦的積累比鈾、钚燃料循環低很多，釷、鈾循環產生的長壽命超鈾核素所造成的危險比鈾、钚循環小兩個數量級。但是，釷在堆內經吸收中子發生核反應，生成一定量233，它的半衰期為72年，233經衰變成半衰期為1.9年的228，228的一些衰變子體發出很強的射線。在進行釷、鈾燃料后處理時，232/233及228/229不能分開，所得到的釷、鈾產品必須考慮射線的防護。

（2）輻照釷、鈾燃料元件經硝酸溶解后，鈾以鈾酰離子22+，形式存在，釷以4+形式存在。在TBP-煤油體系中，鈾的被萃取能力比釷高得多，因此，鈾、釷分離不需借助氧化還原反應。

（3）232俘取中子生成233的母體232（半衰期27天），在處理短冷卻期（小于270天）的輻照針燃料時要考慮鏷的分離，若冷卻期很長，232已全部衰變成233，即可不用再考慮鏷的分離。

發展前景

中國的釷基熔鹽堆能源系統（TMSR）制定了實驗堆、研究堆、示范堆三步走發展戰略。根據規劃，還將在甘肅省建立世界首座小型模塊化釷基熔鹽研究堆，用于高功率、高輻照工況下釷基熔鹽堆科學問題與關鍵技術的工程熱驗證。中國科學院上海應用物理研究所去年披露的《小型模塊化釷基熔鹽堆研究設施環境影響報告書（選址階段）》顯示，擬在甘肅省武威市建設十兆瓦電功率（10MWe）小型模塊化釷基熔鹽堆（設計最大熱功率60MWt），按照2025年年內破土動工、2030年首次臨界并滿功率運行為目標推進工作。研究堆的意義，在于通過系統集成及驗證，為大型商業堆的建設提供必要的技術、數據及經驗。有了研究堆和示范堆，釷基熔鹽堆才具備在更多省份落成的基礎。釷和熔鹽堆，堪稱黃金搭檔，熔鹽堆是最適合釷基核燃料高效利用的堆型。釷基熔鹽堆技術屬于熱中子增殖堆，能將釷轉化為可裂變的鈾-233。資料顯示，中國已查明的釷工業儲量約28萬噸。初步估算若能實現釷基核燃料的完全循環利用，可供使用幾千年以上，將確保國內能源的自給自足。地球上釷資源總儲量是鈾資源的3~4倍，釷基核燃料的有效利用對于人類發展也有著巨大的價值。除了儲量碾壓之外，基于釷鈾循環的熔鹽堆可同時滿足物理防核擴散、核廢料最小化等特點。鈾裂變會產生很多半衰期較長的超鈾元素，釷反應堆能比鈾燃料反應堆產生更少的長壽命核廢物。此外，熔鹽堆采用碘化鈉冷卻技術，只需少量的水即可運行，適用于干旱地區。綜上，作為“四代堆”的熱門候選堆型，釷基熔鹽堆的固有安全性高、核廢料少、防擴散性能和經濟性更好等優點使其成為近年來國際先進核能研發的熱點。但在此之前，該技術沉寂已久。

熔鹽堆研發始于20世紀40年代末的美國，主要目的是美國空軍為轟炸機尋求航空核動力。得益于氟化熔鹽冷卻劑的高熱容、高熱導、高沸點以及低蒸汽壓等特點，熔鹽堆在本征安全性以及經濟性上具有極大的優勢和潛力。1954年，美國橡樹嶺國家實驗室建成第一個熔鹽堆實驗裝置ARE，功率為2.5MW。戰略彈道導彈的迅速發展使核動力飛機的研發失去了軍事應用價值，因此熔鹽堆的研發于20世紀60年代轉向民用。橡樹嶺國家實驗室在1965年建成液態燃料熔鹽實驗堆，這是迄今世界上唯一建成并運行的液態燃料反應堆，也是唯一成功實現釷基核燃料（鈾-233）運行的反應堆。但由于彼時“美蘇冷戰”的考慮，側重于民用的熔鹽堆計劃下馬，美國熔鹽堆研發中止。20世紀70年代初，中國也曾選擇釷基熔鹽堆作為發展民用核能的起點，但限于當時的科技、工業和經濟水平，后轉為壓水堆，也就是秦山一期工程。2011年，中科院圍繞國家能源安全與可持續發展需求，部署啟動了首批中科院戰略性先導科技專項（A類）“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）”，計劃用20年左右的時間，在國際上首先實現釷基熔鹽堆的應用，同時建立釷基熔鹽堆產業鏈和相應的科技隊伍。2017年4月，甘肅省武威市與中科院簽訂了在該市民勤縣建設釷基熔鹽堆核能系統項目的戰略合作框架協議，該項目分兩期建設，總投資220億元。2018年9月，該項目開工建設。中國科學報曾報道，在甘肅的釷基熔鹽實驗堆建于地下，相當于給它“套了個金鐘罩”。截至2025年4月，中國的釷基熔鹽堆研究進展已處于國際前列。按照中科院應物所多年前的規劃，目標到2030年左右全面實現掌握釷基熔鹽堆核能系統的相關科學與技術，基本完成工業示范堆建設和基于釷基熔鹽堆的低碳新能源示范裝置建設，開展熔鹽堆的商業化推廣；到2040年左右建成首座百噸級釷基乏燃料鹽干法批處理示范裝置和在線部分分離固態裂變產物示范裝置，基本實現釷鈾燃料循環。

發展難題

作為一種裂變能利用的新模式，釷鈾燃料循環的利用也面臨許多困難與挑戰：①相對于鈾钚燃料循環而言，截至2016年關于釷鈾燃料循環的核數據還不完善，有關釷鈾循環的理論計算也不如鈾钚計算那樣成熟，這些給反應堆的設計、乏燃料處理和輻射防護帶來相當的不確定性，需要開展大量釷鈾燃料循環基礎研究；②釷鈾轉換生成233的過程中，伴隨有相當多的232，它的衰變子體放射出高能射線，給反應堆乏燃料的后處理、運輸、儲存和再加工帶來很大困難。

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發展歷史

相關定義

循環原理

主要特征

發展前景

發展難題

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