钍基核能和熔盐堆

 

先进核能创新研究院

 

  熔盐堆(Molten Salt Reactor)是指使用熔盐作为核燃料载体或冷却剂的一类反应堆,是第四代先进反应堆的六个候选堆型之一。得益于氟化熔盐的高热容、高热导、高沸点以及低蒸汽压等特点,熔盐堆具有高温、高功率密度、可常压操作等优点,在本征安全性以及经济性上具有极大的优势和潜力。

  熔盐堆最早在1947年由美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)提出,经过几十年的发展,熔盐堆的概念现在已经扩展为两类主要的反应堆:分为液态燃料熔盐堆(MSR-LF)和固态燃料熔盐堆(MSR-SF,也称为氟盐冷却高温堆—FHR)两类。

分为液态燃料熔盐堆

 

  液态燃料熔盐堆将燃料盐直接溶于氟盐冷却剂中,其中液态氟化盐既用作冷却剂,也作为核燃料的载体。燃料可以为235U、233U、239Pu以及其他超铀元素的氟化物盐,这些氟化物溶解于冷却剂熔盐中。冷却剂熔盐一般为如下盐中两种或者多种盐的共晶混合物:LiF、BeF2、NaF、KF、RbF、ZrF4、NaBF4,其中2LiF-BeF2的共晶混合物由于具有较好中子吸收和慢化特性,被认为是一回路盐的首选目标。 结合连续添换料和在线后处理,液态燃料熔盐堆易于实现核燃料的增殖。

固态燃料熔盐堆

 

  固体燃料熔盐堆仅将熔盐作为冷却剂传输热量使用,采用碳化硅密封、石墨包敷的燃料颗粒(TRISO)作为核燃料,可采用UO2,UCxOy,UC等燃料形式,工作在常压下(小于10个大气压),反应堆出口温度可设计大于700度。固体燃料熔盐堆继承了来自多种反应堆的众多优点和技术基础,整体设计上结合了非能动池式冷却技术、自然循环衰变热去除技术和布雷顿循环技术等成熟技术,具有固有安全性、经济性、防核扩散和高效率利用核燃料(包括钍基核燃料在内)等特点。技术成熟度高,其商业化在当前技术基础条件下具有极高的可行性。

 

  裂变核能燃料可以分为铀基和钍基两类,目前核电工业使用的燃料基本都是铀基核燃料。由于能源需求的高速增长,对核燃料的需求越来越大,钍基核燃料利用的重要性越来越突显,开发利用储量大于铀基核燃料的钍基核燃料越来越受到关注。钍基核燃料的研究与铀基核燃料一样,也始于美国“曼哈顿”计划,经过几十年研究,科学界已经基本了解钍基核燃料相关知识,并且发展了一定的应用技术。钍基核燃料中的钍-232(232Th)类似于铀-238(238U),要通过吸收中子后转换为铀-233才能作为裂变核能的燃料使用。

233U的链式裂变反应

 

  钍基核能具有在热中子堆中钍铀转换率高、产生高毒性放射性废料少、不易用于制造武器等特点,是更理想的民用核燃料。使用钍基核燃料与使用铀基核燃料技术上有相似之处,但不完全相同,具有一些独特的优势与挑战。我国钍资源丰富,初步估算如能实现钍基核燃料的完全循环利用,我国版图内钍的储量可供使用几千年以上,将确保我国能源的自给自足。地球上钍资源的总储量是铀资源的3~4倍,钍基核燃料的有效利用对于人类的发展也有着巨大的价值。

钍基熔盐堆核能系统核燃料利用率

 

  液态燃料熔盐堆因其可在线添料并进行后处理,是国际公认的钍基核能的理想堆型;固态燃料熔盐堆中流动球床型的设计可以不停堆连续更换燃料球,所以也可在改进的开环模式下实现钍铀燃料循环,提高钍基核燃料使用率。基于钍铀燃料循环的熔盐堆具有可满足我国核燃料长期供应需求、物理防核扩散、核废料最小化等特点。同时也存在一些需要克服的技术难点,包括:钍铀燃料循环的核数据相对铀钚燃料循环还不完善、燃料盐的流动特性使得熔盐堆技术成为完全不同于其它固体燃料反应堆的一种全新的核反应堆技术、熔盐堆的在线处理工艺技术也需完善和提高、对核纯级石墨密封工艺和制造工艺要求较高、制作管壁的材料需要有较高的耐中子辐照性能等。在技术层面上,固态燃料熔盐堆可以作为液态燃料熔盐堆的预先研究,两者的研发可同时进行、相继发展。