钍基熔盐堆核能系统技术特色

 

先进核能创新研究院

 

  熔盐堆是指使用熔盐作为核燃料载体或冷却剂的一类反应堆,包括液态燃料和固态燃料熔盐堆,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。液态燃料熔盐堆因其可在线添料并进行后处理,是国际公认的钍资源利用理想堆型;固态燃料熔盐堆可不停堆连续更换燃料球,也可在改进的开环模式下实现钍资源的部分利用。

 

    经济性和可行性

  钍基熔盐堆具有特有的物理属性,但基本原理不变,做为新堆型,其设计软件需进行开发验证,但随着反应堆理论的成熟和计算方法的日趋优化均可以解决;工程上其特有的关键设备需研发,但由于熔盐堆结构简单,研发难度会相对降低。
  同时上世纪六十年代美国军方投资10亿美元,由ORNL建造并成功运行了ARE和 MSRE,是世界上唯一曾用三种裂变燃料(U-233、U-235和Pu-239)运行的反应堆,也是唯一有运行经验的熔盐堆。其研究成果完全开放,其知识和经验对熔盐堆的研发具有重要的借鉴作用。

  钍基熔盐堆运行在常压环境下,只需外加紧贴的容器可避免破口事故发生造成的泄露;组件体积小,燃料制备、储运成本低,无需周期性停堆换料。钍基熔盐堆高温运行,堆热转换效率高,可达45%,结合高温制氢和联合供热,可进一步提高商业化程度和经济性。钍基熔盐堆产生的废物放射性低,不会给废物的安全处置带来很大压力和成本支出。

 

    资源可持续利用

钍金属球

 

  钍资源丰富——地壳中钍的含量比铀大三倍、开采更方便,吸收中子生成易裂变核素233U,可解决能源千年利用的问题。中国是世界上第二大钍资源国家,目前钍资源在中国没有市场,没有得到有效的保护和利用,其中包头的钍资源利用率为零,大量钍被堆放在尾矿坝和放射性废物堆放场。
  结合熔盐堆的在线处理优势,通过去除吸收截面大的裂变产物,在热谱和快谱下钍铀燃料循环能实现自持或增殖,很容易做到“自给自足”、燃料成分基本不变地运行下去。

熔盐堆可建造在地表以下

 

    本征安全性

  熔盐堆具有大的负温度反馈,负空泡系数,能自动快速停堆;具有大的热容量,事故发生时堆升温慢、幅度小,同时可采用多种基于自然循环的衰变热排除机制满足安全要求。由于熔盐堆的放射性物质常温下是固态,很难渗入地下,并通过地下水进入生物圈,因此可将反应堆建造在地表以下,上面覆盖有护肩,其中常规岛部分在地面以上,可避免恐怖袭击、飞机坠落、龙卷风等外界干扰,事故时,放射性物质不易逃脱扩散。
  液态燃料熔盐堆采用液态燃料,无堆芯熔化风险,从根本上避免了再次发生切尔诺贝利事故的可能。LOCAL事故应对能力强,只需遵照增殖堆/嬗变堆的事故处理规程,严重事故发生时,冻结塞熔化,所有熔盐均流入储罐中。熔盐常温时为固态,这避免了因泄漏而导致大量的核污染,对生物圈和地下水位线的防护要求没有那么严苛。

  固态燃料熔盐堆采用TRISO燃料颗粒,通过多层防护可有效阻止放射性核素泄露,其中燃料颗粒的多层包覆层可阻止锕系核素、裂变碎片和气体的释放,燃料基体、石墨、熔盐、低压容器密封和气体净化实现进一步保护。

多层防护阻止核泄漏

 

    核废料最小化

  钍堆与铀堆裂变产物相近,但是锕系谱的成分相差较大,而长寿命放射性废物主要来源于锕系核素;232Th比238U低6个质量数,因此钍-铀循环相对于铀钚循环需俘获更多的中子才能转化为第一个超铀元素。钍-铀循环卸出的核废物300年后的放射毒性比铀-钚循环低一万倍,放射性水平低于天然矿石,可以设法近地表处置,有利于生态环境,缓解永久地质储存带来的压力。

钍铀循环卸料放射低

 

    功能多样性和灵活性

    热化学高温制氢

     

  钍基熔盐堆的高温输出特性使其具有功能多样性和配置灵活性,可适用于供电、供热、煤气化、甲烷重整以及热化学或高温电解制氢,可适用于传统的蒸汽式朗肯循环,尤其适合布雷顿循环,工质可以是氦气或氮气。