推动21世纪核能复兴的一大动力就是开发新型反应堆设计，这种设计在几十年前还处于实验阶段，实用化的前景十分有限。爱达荷国家实验室 (INL) 扫清了第四代核反应堆实用化过程中的一大障碍。一个团队利用新工艺开发出了一种高效处理先进熔盐反应堆燃料的新方法。
熔盐反应堆是所谓的第四代或第四代核电站中的一种，它用核燃料和熔盐的混合物取代浓缩铀或钚燃料棒和水慢化剂/冷却剂。这个概念乍一看有点奇怪，但与目前使用的普通压水反应堆相比，它具有各种优势。
熔盐反应堆有几种不同的类型，但它们具有许多共同的特点。
首先，它们在比传统反应堆更高的温度下运行，且在大气压下运行。这使它们效率更高，机械应力更小，同时由于核反应是自限性的，因此也消除了失控熔毁的威胁。此外，氢气和氙气等危险或有害气体很容易通过简单的化学过程排出。
由于熔盐反应堆的运行温度约为 600 °C (1112 °F)，因此其效率提高了 50%。它们可以不断回收燃料，从而减少核废料——而且可以通过管道添加新燃料并清除废料。
MCRE 反应堆
它们还非常灵活，能够处理各种燃料，这不仅有助于经济，也有助于减少核武器的扩散。更不用说反应堆设计可以模块化，并可轻松适应小型工厂，可用于各种工业应用，包括石油生产、氢气生成、海水淡化、浮动发电厂和船舶推进。
这听起来不错，但为什么以前没有建造熔盐反应堆呢？答案是，这种反应堆自核时代伊始就已被使用。事实上，盟军曼哈顿计划为制造第一颗原子弹而制定的第一批反应堆设计之一就使用了盐和铀的浆液。然而，这种反应堆没能持续多久，因为没有足够的铀燃料，而熔盐设计不适合制造钚，所以奥本海默等人转而选择了石墨反应堆。
从那时起，出现了许多熔盐项目，包括一个用于潜艇的项目，另一个用于（上帝保佑）为飞机提供动力的项目，但它们从未真正流行起来。这是因为核反应堆并不像学校教科书中的插图那样简单。
技术主管 Bill Phillips
尽管熔盐反应堆有诸多优点，但也有缺点。它们容易出现腐蚀问题以及热应力和中子应力。此外，盐会剥去金属部件上的保护性氧化层。然后还有燃料再处理的问题，这在机械上很简单，但当你记住燃料具有放射性时，就会变得更加复杂。
除此之外，基于热液体流动混合物进行核反应涉及一些核物理领域，从技术角度来说，这些领域有些不确定。不仅缺乏用于反应堆物理模拟的标准化计算工具，而且对于结构材料如何受到长期运行的影响的理解也有限。
如果这还不足以让核工程师感到惊恐，那么还有制造反应堆燃料的问题。你不能像在传统燃料棒中那样使用金属铀。它必须是能溶解在氯化物盐中的形式。这意味着某种形式的氯化铀，如三氯化铀 (UCl₃) 或四氯化铀 (UCl₄)，这带来了挑战，包括制造复杂性、化学稳定性和反应性、额外的化学处理步骤以及腐蚀问题。
实验中使用了变性铀
这就是 INL 熔融氯化物反应堆实验 (MCRE) 正在处理的问题。自 2020 年以来，比尔·菲利普斯 (Bill Phillips) 领导的技术团队一直在努力寻找合适的铀化合物，以及以 90% 的效率批量生产铀化合物的方法。
MCRE与南方电力公司和TerraPower公司合作，旨在建造世界上第一座临界快谱熔盐反应堆，目标是到2028年建成一座示范反应堆，到2035年建成一座商业化反应堆。
问题在于，到 2020 年，INL 每次只能生产两到三盎司（57 到 85 克）燃料。不幸的是，最终的反应堆需要三吨半才能达到临界状态。因此，INL 一直在研究变性铀，这种铀比可裂变铀便宜得多，但化学性质与可裂变铀相同，以便每次生产更多的燃料。
经过大量的反复试验，结合定制的原型炉和专门的设备，该团队找到了如何结合精确的条件、成分和方法，一次性生产 18 公斤（39 磅）。
据 INL 介绍，下一步计划在 2025 年 10 月之前再生产五批，以证明浓缩核燃料的全面生产潜力，并为 MCRE 的首次反应堆实验提供能量。这些实验旨在研究中子在反应堆中的行为，验证快谱氯化物反应堆的理论模型，测量燃料稳定性，评估结构材料在氯化盐中的耐腐蚀性，并研究辐射对安全壳材料的损伤。
“我们一开始就浪费了太多可用的铀金属，无法生产出足够的燃料盐，使反应堆达到临界状态，”MCRE 项目主管尼克·史密斯 (Nick Smith) 说道。“经过多年的试验和修改，我们终于找到了实现完美产量的正确工艺。当无法保证找到解决方案时，需要一种特殊的毅力才能继续解决问题。”