推動21世紀核能復興的一大動力就是開發新型反應器設計，這種設計在幾十年前還處於實驗階段，實用化的前景十分有限。愛達荷國家實驗室(INL) 掃清了第四代核反應器實用化過程中的一大障礙。一個團隊利用新製程開發了一種高效處理先進熔鹽反應器燃料的新方法。

熔鹽反應器是所謂的第四代或第四代核電廠中的一種，它用核燃料和熔鹽的混合物取代濃縮鈾或鈽燃料棒和水慢化劑/冷卻劑。這個概念乍看之下有點奇怪，但與目前使用的普通壓水反應器相比，它具有各種優勢。

熔鹽反應器有幾種不同的類型，但它們具有許多共同的特徵。

首先，它們在比傳統反應器更高的溫度下運行，並且在大氣壓力下運行。這使它們效率更高，機械應力更小，同時由於核反應是自限性的，因此也消除了失控熔毀的威脅。此外，氫氣和氙氣等危險或有害氣體很容易透過簡單的化學過程排出。

由於熔鹽反應器的運作溫度約為600 °C (1112 °F)，因此其效率提高了50%。它們可以不斷回收燃料，從而減少核廢料——而且可以透過管道添加新燃料並清除廢料。

MCRE 反應器

它們也非常靈活，能夠處理各種燃料，這不僅有助於經濟，也有助於減少核武的擴散。更不用說反應器設計可以模組化，並可輕鬆適應小型工廠，可用於各種工業應用，包括石油生產、氫氣生成、海水淡化、浮動發電廠和船舶推進。

這聽起來不錯，但為什麼以前沒有建造熔鹽反應器呢？答案是，這種反應器自核時代開始就已被使用。事實上，盟軍曼哈頓計畫為製造第一顆原子彈而製定的第一批反應爐設計之一就使用了鹽和鈾的漿液。然而，這種反應爐沒能持續多久，因為沒有足夠的鈾燃料，而熔鹽設計不適合製造鈽，所以奧本海默等人轉而選擇了石墨反應器。

從那時起，出現了許多熔鹽項目，包括一個用於潛艇的項目，另一個用於（上帝保佑）為飛機提供動力的項目，但它們從未真正流行起來。這是因為核反應爐並不像學校教科書中的插圖那麼簡單。

技術主管Bill Phillips

儘管熔鹽反應器有諸多優點，但也有缺點。它們容易出現腐蝕問題以及熱應力和中子應力。此外，鹽會剝去金屬零件上的保護性氧化層。然後還有燃料再處理的問題，這在機械上很簡單，但當你記住燃料具有放射性時，就會變得更加複雜。

除此之外，基於熱液體流動混合物進行核反應涉及一些核物理領域，從技術角度來說，這些領域有些不確定。不僅缺乏反應器物理模擬的標準化計算工具，而且對於結構材料如何受到長期運行的影響的理解也有限。

如果這還不足以讓核子工程師感到驚恐，那麼還有製造反應爐燃料的問題。你不能像在傳統燃料棒中那樣使用金屬鈾。它必須是能溶解在氯化物鹽中的形式。這意味著某種形式的氯化鈾，如三氯化鈾(UCl₃) 或四氯化鈾(UCl₄)，這帶來了挑戰，包括製造複雜性、化學穩定性和反應性、額外的化學處理步驟以及腐蝕問題。

實驗中使用了變性鈾

這就是INL 熔融氯化物反應器實驗(MCRE) 正在處理的問題。自2020 年以來，由比爾·菲利普斯(Bill Phillips) 領導的技術團隊一直在努力尋找合適的鈾化合物，以及以90% 的效率大量生產鈾化合物的方法。

MCRE與南方電力公司和TerraPower公司合作，旨在建造世界上第一座臨界快譜熔鹽反應堆，目標是到2028年建成一座示範反應器，到2035年建成一座商業化反應器。

問題在於，到2020 年，INL 每次只能生產兩到三盎司（57 到85 克）燃料。不幸的是，最終的反應爐需要三噸半才能達到臨界狀態。因此，INL 一直在研究變性鈾，這種鈾比可裂變鈾便宜得多，但化學性質與可裂變鈾相同，以便每次生產更多的燃料。

經過大量的反覆試驗，結合客製化的原型爐和專門的設備，團隊找到如何結合精確的條件、成分和方法，一次生產18 公斤（39 磅）。

根據INL 介紹，下一步計畫在2025 年10 月之前再生產五批，以證明濃縮核燃料的全面生產潛力，並為MCRE 的首次反應器實驗提供能量。這些實驗旨在研究中子在反應器中的行為，驗證快譜氯化物反應器的理論模型，測量燃料穩定性，評估結構材料在氯化鹽中的耐腐蝕性，並研究輻射對安全殼材料的損傷。

「我們一開始就浪費了太多可用的鈾​​金屬，無法生產出足夠的燃料鹽，讓反應爐達到臨界狀態，」MCRE 計畫主管尼克史密斯(Nick Smith) 說。 “經過多年的試驗和修改，我們終於找到了實現完美產量的正確工藝。當無法保證找到解決方案時，需要一種特殊的毅力才能繼續解決問題。”