早在2000年，柯克•索伦森（Kirk Sorensen）还是美国国家航空和宇宙航行局（NASA）的一名工程师。当他为未来移居月球寻找核动力的备选方法时，偶然看到一本描述熔盐反应堆的书，书中谈到用液态核燃料作为能量的来源。
这听起来有点不可思议，索伦森说道。据他所知，所有核反应堆都用某种形式的固态铀做燃料，最初的“轻水”堆现在是核电行业主流。然而，这本书解释说，田纳西州的美国橡树岭国家实验室（ORNL）已对熔盐反应堆进行了三十多年的研究。而且，含液态铀或钍的燃料具有得天独厚的优势。例如，即使发生灾难性的堆芯溶化事故，熔盐堆也不会受影响，产生的核废物不含钚及其他长寿命的放射性同位素，而且几乎能将这些同位素完全销毁。
索伦森说，这种堆的优势数不胜数：相对于轻水堆，熔盐概念 “几乎能以远远更优雅的方式解决核能的所有问题”。“那么，我们为何不从一开始就采取这样的方式呢？”
过去十年中，很多人问这个问题，而且不只关于熔盐堆。1976年美国出于研究规划安排上的冲突，这个独特的技术被放弃了。不过，这只是核能商业化大潮第一波搁浅的众多替代技术之一。另外的技术包括能够销毁核废物的“快”堆，以及通过生产无碳工业供热大量减少温室气体排放的高温堆。总体上看，这些替代技术可以弥补核能的大部分、甚至所有的缺点。但数十年来因为安排和提供资金水平经常改变，研究人员对这些技术的关注也时断时续。
现在，改变或许即将到来。过去十年间，特别是在快速发展的国家如中国，对安全、低碳能源的需求以及商业上努力复苏并推广一些核能设计，激发了政府对替代核能技术的关注。乐观人士认为，即使去年发生了日本福岛第一电站核灾难，最终也会推动人们选择更安全的核反应堆。索伦森为促进熔盐反应堆商业化，去年在阿拉巴马州亨茨维尔创立了氟盐能源公司。无论是氟盐能源这样处于起步阶段的公司，还是工业巨头如正在开发商用快堆的通用电气-日立核能公司，都希望做好准备。
然而，复兴这些技术既不是“一日之功”，也不会“一蹴而就”。尽管基本设计几十年前就已完成，但要付诸实践，工程师们还必须进行多方面的开发，如耐辐射的材料、更高效的热交换器和改进的安全系统，而且必须向监管机构证实所有这些系统都能按设计规定运作。“核能并非易事”，马萨诸塞州剑桥市“忧思科学家联盟”（UCS）全球核保安高级分析师埃德温•莱曼（Edwin Lyman）表示，“成本高，见效慢，风险极大，因为必须考虑安全因素”。
但相关人士坚信，核工业未来最美好的前景就是“开拓”它的过去。正如索伦森就取消熔盐规划指出的：“没有人会说，‘或许我们犯了个错误；或许我们应该追溯并重新审视那个决定’。”
最早，但非最佳
轻水堆之所以占主导地位，并不是因为最好，而是最早。20世纪40年代后期最初开发，只是作为核动力舰船和核潜艇的一个紧凑型动力源；20世纪50年代，美国力图通过创建商业核电工业，在原子能问题上扮演和平角色，修改并扩展了轻水堆设计。“轻水”就是普通的H2O，流经堆芯的普通水吸收堆芯的热能再将热能传递给常规蒸汽机轮，从而将热能转化为电能。
这种反应堆要成为更大系统的一部分，最终要补救低效率这个基本问题：仅有轻水堆，任何反应堆自身会很快中毒。随着链式反应持续进行，铀原子裂变产生的碎片越积越多，它收的中子越来越多；而要保证反应不断进行反应，就需要越来越多的中子。大概18个月以后，燃料烧完了必须卸出，虽然仍含有很多原始能量。
前美国能源部核能办公室主任、现美国核管会委员威廉•马格伍德（William Magwood）说：“所以，以前总想要个乏燃料再循环的基础设备，能回收燃料的更多能量”。全球的后处理厂网络能从乏燃料中化学提取仍然可用的成分，主要是铀-235和不易裂变的铀-238吸收中子形成的易裂变的钚-239，然后把它们转化为新的反应堆燃料。这个计划最终要过渡为新一代“增殖”堆，目的在于钚的产量最大化。唯一的废料是极少的强放射性裂变产物残渣，几百年内就能衰变掉。这种残渣可处置在精心设计的混凝土地堡内。
马格伍德说，20世纪60年代到70年代早期，这种愿景主导着美国的核战略发展，为此当局以至于终止为许多非增殖堆、包括熔盐反应堆设计提供研究资金。而广泛采用这种方案的结果是，目前全世界运行的437台核电反应堆中，356台是轻水堆。
然而1974年5月印度试爆的核弹用的就是从反应堆用过的燃料（乏燃料）提取的鈈。世界各国政府突然间被迫面对一个地缘政治方面的现实：大规模商业后处理会招致肆无忌惮的核武器扩散。因为每个后处理工厂都能处理成吨核弹级的钚，而一件核武器只需4-6公斤钚。核检查官员怎么能永远确保没有后处理厂发生核材料“转移”！？
因此，1977年4月美国总统吉米•卡特禁止商业后处理。几年以后，新任美国总统罗纳德•里根解除了该禁令。但这种设施成本非常高，以致从那时起，仅有法国的两家商业后处理工厂投入运营处理反应堆乏燃料。增殖堆的研究大都停止了，因为没有后处理，它们变得毫无意义。而且工程师们发现自己面临棘手的核废物处置问题：由于鈈-239的半衰期2.41万年，现在他们要使几万吨乏燃料“隔离”几十万年。至今还没人研究出怎样确保安全地“隔离”这么长时间[2]。
与此同时，20世纪70年代对核安全的担忧也与日俱增。不论什么原因，只要流经轻水堆的水流中断，堆芯就会变得越来越热。即使反应堆技术上已经关闭，裂变产物放射性衰变产生的热量仍然足以使燃料熔化并释放进入外环境。所有的轻水堆都有应急后备冷却系统，但如这种系统发生故障怎么办？ 1979年3月这种担忧成为现实：宾夕法尼亚州哈里斯堡附近的三里岛核电站意外失去冷却水使堆芯局部熔毁；2011年3月日本福岛第一电站出现的堆芯完全熔化更引人注目地证实了这种忧虑[3]。
二次机遇
三里岛事故后，公众和政治上的强烈抗议创造了全球长达25年的 ‘核黯淡’。电力公司废弃了它们的核扩展计划，几乎取消了它们所有的反应堆订单。核工业甚至变得更不意愿探索新技术。加州理工大学伯克利分校的核能工程师派尔•彼得森（Per Peterson）说，“核工业规避超越它们有许多经验的技术和材料方面的风险”，而且它们知道能获得监管部门的批准。
业界几乎没有兴趣，也没有部署的现实愿望，先进堆的研究与指导和支持不一致。美国威斯康星大学-麦迪逊分校的核工程师麦克尔•科拉迪尼（Michael Corradini）说，“如果总是大起大落，就很难规划和进行先进的工程研发。”
这种情形在2000年前后才得以改善。“中国和南亚的核电建设已经起飞，石油和天然气资源匮乏的任何国家都会有这种考虑。”剑桥麻省理工学院（MIT）的核工程师查尔斯•福斯伯格回忆说。（目前全球范围内64台核反应堆在建，还有数百台已筹划。）他说，美国“联邦政府意识到，如果在核方面我们没有任何行动，就分不到这杯羹”。气候变化也推动美国和欧洲重新关注核技术。福斯伯格说，由于风能和太阳能发电输出不稳定，“如果要摆脱化石燃料，必须有个严肃的核规划。”
大力投资
这种重新关注的一个结果是美国2010年核电规划。据美国能源部2002年2月宣布，政府-业界的成本分摊计划旨在帮助制造商研制和获取具有先进安全特征的轻水堆设计许可证，这种安全特征包括事故期间利用重力和自然对流确保冷却剂流动的能力。目前全世界有几个这种反应堆正在筹划中，包括美国在建的四个堆，都是首批新一代反应堆。
今年启定、始于模块式小型堆研制的能源部成本分担规划还有更多激进的设计。该规划的目标是淘汰目前造价约100亿到150亿美元的上百万千瓦的核电站，从而转建25万千瓦甚至更小的核电站，小到可以在工厂批量生产并运至指定地点。竞争这个奖项的四个反应堆供应商都是先进轻水堆设计。11月20日，该项目判给了北卡罗莱纳州夏洛特市巴的布科克与威尔科克斯公司为首的联营公司。
但彼得森认为，其他的设计也能从中受益。他说，“如果我们能创建模块式小型轻水堆市场，就更容易开发先进的原型堆市场。”电力公司仅仅选定另外的模块，就能实验新工艺技术。彼得森说，如果成功了，是锦上添花；如果不成功，损失也不大。“这就降低了它们整体的风险阈值。”
可选模块的首选是高温堆，它恰如其分地说明了这个名称的涵义：产生的蒸汽温度高达1000℃，比约300℃的轻水堆温度高得多。这需要完全不同的设计选择，比如使用氦气而不用水传输热能，采用铀的氧化物和碳化物制成耐高温的燃料。
这种反应堆不可能熔化：即使满功率下失去冷却剂，燃料温度比堆芯正常运行高几百度，高达1600℃，仍然保持稳定。高温会使反应堆更高效地发电，而且为工业生产过程供热，可以大幅减少碳排放量。在美国，大约23%的能源用于工业应用，如石油裂化和塑料加工，其中许多需要的温度至少是700℃。目前往往依靠燃烧天然气产生这么高的温度，高温堆是能提供低碳热源的替代选择。
全球许多商用高温堆还在开发中。但是今年，石化公司和反应堆制造商组成的财团已经同意支持选用法国巴黎阿海珐（AREVA）公司的安斯塔瑞（Antares）高温堆设计。该部门的负责人弗雷德•摩尔（Fred Moore）说：“接下来就是工程设计和为得到核管理委员会技术上批准需要的颁发许可的努力，约需8亿美元”。该部门为总部在密歇根州米德兰市的陶氏化学公司提供电力和蒸汽。弗雷德•摩尔估计，这需要花费5-7年。如果一切按计划进行，这种高温系统将是2020年开始部署的第一批先进反应堆。
快（谱）堆也不甘落后，它要解决高温堆无法解决的问题：乏核燃料。快堆能销毁这类物质，把废物转化为能源，缓解核废物处置问题。
刚从新裂变的原子核释放出来的裂变中子很“快”，平均能量约2兆电子伏（Mev）。在轻水堆内，这种中子与冷却水的氢原子核碰撞并迅速慢化，平均能量只有零点几电子伏特（eV），致使更可能引发另一次裂变反应。但是，慢化的中子有个缺点：不但不分裂铀靶核，反而经常被吸收，使铀靶核转变成钚、镎、镅、锔或其他重元素的长寿命放射性同位素。这些长寿命的放射性同位素共同地使乏燃料处置成为一场恶梦。相比之下，快中子很少被吸收。它们不常与重元素靶核碰撞；然而一旦碰撞，总会使靶核分裂，几乎百发百中。因此，快中子不仅不会产生长寿命同位素，甚至能销毁乏燃料中的长寿命同位素。
彼得逊说，建造快堆是件很棘手的事，尤其因为快堆必须靠液态钠或其他不会像水那样使中子慢化的物质冷却。这可能使设计的快堆体积庞大。而且为汽轮机发电产生蒸汽，“建造热交换器有很大挑战性”，因为钠与蒸汽发生剧烈反应，产生爆炸性氢气。他说，研究人员正积极研究另外的、不发生反应的冷却剂选项，如铅和超临界二氧化碳。
然而，多年来大约20个快堆曾投入运行，其中许多沿用的还是20世纪70年代的增殖堆设计，建造的目的是使钚产量最大化，而不是消耗鈈。至少有四家生产商在开发消毁乏燃料的小型快堆。典型的例子是美国北卡罗莱纳州威明顿市的通用电气-日立公司的“超大动力堆创新小模块”（S- PRISM）。这就需要把紧凑型的钠冷快堆与再循环装置整合在一起。后者用反应堆的乏燃料，去除使核反应中毒的裂变产物，再把更新的燃料返回反应堆，而且任何时候都不单独提取可用来造核弹的钚。
通用电气-日立公司先进堆开发负责人埃里克•洛温(Eric Loewen)说，市场潜力巨大，“我们与英国合作，正进行可行性研究。我们从他们后处理工厂取100吨钚，再把它变成能源”。洛温还说，在美国和其他地区，“我们的愿景是个先进的再循环中心网络”，每个中心有六台S-PRISM反应堆和一个再循环中心。后者能处理一到三个轻水堆的核废物，而且能处理目前现场积压的库存废物。
洛温说，这个网络成本不低，但根本性挑战来自政界。福斯伯格和其他很多专家同样认为：所需的就是“一个政策框架，使人们把乏燃料看作资产，而不是要丢弃的垃圾。”
熔盐堆
反应堆固体燃料的一大优势在于可预定其几何形状，一大劣势是其复杂性。从中子轰击强度、裂变产物分布、到燃料晶体结构辐射损伤，各点的一切都不断变化。设计师最头疼的就是设法确保反应堆运行稳定；而且要设法使监管部门相信即使是最严重的堆芯熔化，都不会使燃料的任何部分坍塌达到临界质量。
但当燃料本来就是液态时，所有这些问题都“迎刃而解”了。这也是为什么美国早在20世纪60年代就在橡树岭开发熔盐堆的主要原因。“熔盐”称核燃料，通常指四氟化铀；与“氟锂铍”（FLiBe）混合，在运行温度下为液态。“氟锂铍”就是氟化锂和氟化铍的混合物，起冷却剂作用。福斯伯格说，熔盐堆“就是个茶壶，一个无声的大茶壶”，内装“氟锂铍”；“把燃料扔进去，它们充分混合，而且总成分始终不变。”
索伦森说，液态燃料的另一重大优势是 “燃料没有彻底消耗完，无需从堆内卸出。”相反地，这种燃料会通过一个外部再循环装置连续提取裂变产物，避免燃料中毒。索伦森称，设计师还想出一种很妙的方法保证安全性：反应堆容器底部有个孔洞，借助冷冻装置使一块燃料保持固态把“孔洞”封堵住。如果反应堆在紧急情况下断电，制冷马上停止，冷冻盐塞会熔化，燃料会安全地排入地下储罐。更重要的是，熔盐设计可利用多种燃料，从传统的铀到原始核废料或钍。钍的储量约是铀的三倍。
从总体上说，间断四十年后振兴熔盐堆是一项艰巨的任务。索伦森说，“我们必须重建一个大部分消失的知识库”，但他创建了氟锂铍能源公司，在做尝试。该公司正在开发一个4万千瓦的反应堆，或许用于军事基地，不依赖电网，能独立运行。
坚实的机遇
2011年9月，福斯伯格、彼得森、麻省理工学院的胡林文（Lin-wen Hu）和威斯康星大学-麦迪逊分校的工程师托德•阿伦（Todd Allen）作为项目的负责人，正在主持一个为期三年、美国能源部资助的核研究项目。这个项目有可能在通往熔盐堆的道路上向前迈进一步：氟锂铍冷却的高温堆（FTR）。彼得森说，“没人建造过盐冷却式固体燃料反应堆”。倘若这个项目研究成功，反应堆的堆芯可能只有其他设计的四分之一到五分之一。由于氟锂铍盐的良好稳定性，这个反应堆的温度“总是比燃料损坏限值低几百度，”因此很安全。
彼得森说，尽管“假设有丰富的资源”，未来十年该公司还可能要建造一个实验堆。这是个重大设想：由于金融危机，所有先进堆的融资会更加困难。此外，科拉迪尼指出，美国突然发现丰富的页岩气，“廉价的化石燃料已经使美国的许多清洁能源工程建设不断推迟，不仅限于核能项目”。
位于华盛顿特区的核能研究所（NEI）贸易组政策发展总监保罗•吉尼亚（Paul Genoa）也很有远见。他说，“开头先改进轻水堆”，接下来，二十一世纪二十年代会出现更安全的先进轻水堆，紧接着通过高温堆进一步减少碳排放量，“然后，建造快堆销毁核废料。”
吉尼亚（Genoa）认为，熔盐堆还有很多未知因素，但值得开发。有些甚至变数更大的项目也在研究：值得一提的是加速驱动反应堆。它利用高能粒子加速器的中子驱动裂变反应，可用钍做燃料，而且关掉加速器便可立即关闭反应堆。
但是，核能真的会进一步发展吗？事实上，业内人士看到了乐观的理由，特别是他们认为，如果气候变化造成的后果越来越明显，就会迫使政府设定碳价格。吉尼亚认为，即使福岛那场核灾难也可能从根本上刺激发展新的核技术。“但它确实给人们带来恐慌，也使他们关注核能”。吉尼亚还说，但当人们更密切地关注时，“他们会说，‘嘿，这些都是建了30年的老厂’。”最后，智能化的新型核反应堆将变得更有吸引力。
校者注释：
1. M.米切尔•沃尔德罗普（M. Mitchell Waldrop），美国科普作家，《自然》杂志编辑。
2. Nature 473, 266–267; 2011
3. Nature 483, 138–140; 2012
