钍基熔盐堆历史

 

先进核能创新研究院

 

  熔盐堆的早期概念为液态燃料,其研究工作始于上世纪40年代末的美国,早年的研究主要目标是军事目的(美国空军为轰炸机寻求航空核动力,轻水堆则是美国海军为潜艇研发的核动力装置),1946年5月28日,美国空军启动核能飞行器推进(Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft—NEPA)工程,1951年5月代之以ANP (Aircraft Nuclear Propulsion)计划,核动力轰炸机中计划采用四个核动力涡轮发动机,设计功率为200 MW,由氟化熔盐反应堆提供动力可连续飞行数周时间。

图1 ANP (Aircraft Nuclear Propulsion)计划

 

  美国橡树岭国家实验室ORNL承担了ANP计划中核能引擎反应堆的研发任务,为此ORNL于1954年建成第一个熔盐堆实验装置ARE(Aircraft Reactor Experiment),功率为2.5MWth,最初的燃料为NaF-ZrF4-UF4混合物。ARE成功运行了1000个小时,总积分功率为96MW-hr,运行最高温度达到882oC,是历史上第一个熔盐堆,在研究与运行过程中积累的经验为之后的MSRE成功运行起到了技术支持的作用。ARE所有的组件按照设计指标正常运行,出现事故次数较少,泵的性能尤其令人满意,大量复杂的仪器也都运行良好。ARE带功率运行时,由于较大的负温度反应性系数,反应堆展示了很好的稳定性以及易控制性。

图2 ARE系统布置图

 

  随后,战略弹道导弹的迅速发展使核动力轰炸机的研发失去了价值,然而,十几年的研发经历和大量的人力财力的投入为熔盐堆后续发展奠定了坚实的基础。

图3 熔盐堆实验:从ARE到MSRE

 

  上世纪60年代熔盐堆的研发转向民用,ORNL于1965年建成热功率8MW的液态燃料熔盐实验堆(MSRE)。MSRE在1965年到1969年期间成功运行了四年多,其中满功率运行了1.5年,充分证明了液态熔盐堆运行的稳定性和安全性。

  MSRE通过大量实验研究证实了:7LiF-BeF2-ThF4-UF4可以成功用于熔盐增殖堆,具有非常好的辐射稳定性;石墨作为慢化剂与熔盐相容;Hastelloy N 合金可成功应用于反应堆容器、回路管道、熔盐泵、换热器等部位,腐蚀被控制在较低水平;裂变产物氪和氙可从熔盐中分离;熔盐堆可使用不同的燃料,包括235U、233U和239Pu。MSRE于1968年用233U替代235U,成为第一个使用233U燃料运行的反应堆,说明利用液态熔盐堆技术理论上可以实现完全的钍铀燃料闭式循环。实验表明熔盐堆具有非常独特而优异的民用动力堆性能,可以用铀基核燃料,更适合于钍基核燃料的燃料循环。

图4 MSRE基本结构和部分关键设备

 

  1970年代,ORNL进行了一系列热功率为2250MWth的MSBR(Molten Salt Breeder Reactor)增殖熔盐堆的设计,然而上世纪70年代正是冷战的高潮,核武器重要性远远大于核能的重要性,在核能研究规模整体收缩的背景下,美国政府选择了适合铀钚燃料循环、具有军民两用前景的钠冷快堆,放弃了更适合钍铀燃料循环、侧重于民用的熔盐堆。

图5 MSBR设计图

 

  美国液态燃料熔盐堆的成功和适用于钍铀燃料的特点引起我国科学界和政府的重视。上世纪70代初我国科研人员选择钍基熔盐堆作为我国发展民用核能的起步点,一座零功率冷态熔盐堆于1971年建成并达到临界, 工程上主要开展了四类临界实验,包括熔盐-石墨零功率堆临界实验、堆控制棒刻度实验、钍铀转换比实验、堆中子通量测量实验, 以验证熔盐反应堆的理论计算,取得了熔盐静态与动态特性、反应性及其温度效应、控制棒刻度及温度效应和核燃料的增殖率等实验结果。限于当时的科技水平、工业能力和经济实力,我国民用核能转向了轻水反应堆的研发并最终建成秦山一期核电厂,自此在世界范围内熔盐堆研究的国家行为几乎停止。