钍基熔盐堆核能系统-TMSR战略先导专项

 

先进核能创新研究院

 

  中国科学院于2011 年启动了“未来先进核裂变能”战略性先导科技专项,钍基熔盐堆核能系统(简称TMSR)作为其两大部署内容之一,致力于研发第四代裂变反应堆核能系统。TMSR核能系统项目包括钍铀核燃料的制备、熔盐反应堆和钍基熔盐堆燃料(废料)的后处理,其具备三个基本特征:一是利用钍基燃料,二是采用熔盐冷却,三是基于高温冷却剂的多用途核能利用系统。建立基于熔盐堆的先进钍基核能系统(TMSR),不仅可实现核燃料多元化、缓解我国铀资源短缺,确保我国核电长期发展、还可以防止核扩散和核废料最小化,为和平利用核能开辟一条新途径。

TMSR发展战略图

 

  TMSR核能专项将发展固态熔盐堆和液态熔盐堆两种技术路线,将在2020年建立完善的研究平台体系、学习并掌握已有技术、开展关键科学技术问题的研究;在2030年前建成包括“固态熔盐堆”和“液态熔盐堆”的中试系统,解决相关的科学问题和技术问题,发展和掌握相关核心技术,最终到2050年实现商业化。

  TMSR核能专项近期的科技目标由两部分组成。一是建成钍基熔盐实验堆,并形成支撑未来发展的若干技术研发能力。将分别建成10MW固态燃料钍基熔盐堆和结合后处理技术的2MW液态燃料钍基熔盐堆;二是形成支撑未来TMSR核能系统发展的若干技术研发能力,包括钍基熔盐堆设计和研发能力、熔盐制备技术和回路技术研发能力、钍铀燃料的前道技术与后道技术研发能力、熔盐堆用高温材料的研发能力、熔盐堆安全规范制定和许可证申办能力等,同时建设高温电解制氢、二氧化碳加氢制甲醇、布雷顿循环前道及太阳能熔盐集热传热等多用途系统的实验装置。

TMSR研究领域和研究方向

 

  作为四代堆候选堆型之一,基于钍铀燃料循环的液态燃料熔盐堆可以实现钍基燃料的闭式循环,满足可持续性(钍转换或增殖)、防核扩散性(综合燃料循环、锕系核素多重循环利用)、资源节约(闭式钍铀循环、无需铀浓缩)、安全性(大的负反应性反馈系数)以及废物管理(锕系焚烧)目标;固态燃料熔盐堆可以满足大型高效率发电需求以及高温处理热需求,同时具备全面非能动安全性。但由于是新的堆型,在研究和发展工作方面,还有许多需要发展的技术以及解决的技术难点:针对熔盐堆尚无成熟的反应堆设计理论、安全分析方法以及安全评估规范可供借鉴;合金结构材料应用于商业化熔盐堆,其耐高温、腐蚀和辐照问题还需要进一步验证;燃料、石墨与熔盐在化学特性上是兼容的,但对物理的渗透效应,还需要进行一系列实验检验;目前钍铀燃料循环的核数据相对铀钚燃料循环还不完善,需要开展大量钍铀燃料循环基础研究;燃料干法后处理技术目前也仅停留在实验室阶段,并未有实际应用经验。

钍基熔盐堆高温核热综合利用

 

  钍基熔盐堆具有良好的经济性、安全性、可持续性和防核扩散性,其商业化在当前技术基础条件下具有极高的可行性,但是钍基熔盐堆也具有运行温度高、熔盐腐蚀性强、后处理技术不成熟、钍铀循环核数据缺乏等特点,需要开展系统的基础性工作。