钍基熔盐堆国际研发现状

 

先进核能创新研究院

 

  上世纪末和本世纪初,能源危机与环境挑战为钍基熔盐堆核能系统的发展提供了新的机遇,钍基熔盐堆的研发在世界范围重新受到重视,相关研究在国际上呈现急剧上升趋势。熔盐堆的概念扩展为液态燃料熔盐堆(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。
  欧美各国积极推进国际合作并组建合作机构,开展液态燃料熔盐堆的概念设计和评估;亚洲各国受能源需求的拉动,对两种熔盐堆的发展均表现出很高的积极性,印度与日本正在积极推动液态燃料钍基熔盐堆的研究工作,其中印度近来大大提升了钍基熔盐堆计划的优先级,韩国已经启动了固态熔盐堆研究计划。液态熔盐堆概念被第四代核反应堆国际研讨会选为四代堆六个候选堆型之一,在传统的液态熔盐堆基础上,针对不同目的,液态熔盐堆可以设计成热中子堆或快中子堆,也可以专用于钍基核燃料循环,这些设计包括法国的MSFR、俄罗斯的MOSART、日本的Fuji-MSR等。

法国MSFR堆

 

  法国科学研究中心(CNRS)对于熔盐堆的研究开始于1997年,在重新验证及研究美国设计的基础上,提出了MSFR(Molten Salt Fast Reactor)设计,其堆芯设计的主要方向为无石墨慢化、增加径向再生盐、利用快中子能谱。MSFR在燃料循环时候采取233U启动和超铀元素启动两种方式,具有非常大的负反馈系数、较大的增殖能力和简单的燃料循环模式,能够焚烧其他反应堆内产生的超铀元素。

俄罗斯MOSART堆

 

  俄罗斯为实现轻水堆乏燃料中超铀核素的高效嬗变,提出不使用U-Th循环,而是采用超铀元素作为燃料的熔盐堆,建立用于燃烧Pu和MAs 的MOSART堆 ( Molten Salt Advanced Reactor Transmuter),其堆芯内部无任何固体构件,有较高的可控性和安全性,系统具有内在的动力学稳定性,只需适中的反应性控制能力就可以控制。MOSART堆功率为2400 MWt,使用均匀的熔盐体系,有足够的负反应性温度系数。在100年的运行周期中,对超铀核素的设计嬗变效率可以达到0.83。

日本FUJI-U3堆

 

  日本FUJI熔盐堆的概念设计来源于美国ORNL的MSBR设计,FUJI-12拥有和MSBR相同的熔盐燃料,但在某些方面它不同于MSBR的设计,例如不需要在线的燃料处理工厂、较低的额定功率等。FUJI-12热功率为350MWth,剩余反应性较小,仅在熔盐燃料通过石墨慢化剂的空道时才能达到临界,安全事故容易探测,运行期间仅少量的熔盐燃料需要添加,几乎可以实现核燃料的自持循环。

  欧盟2001年设立MOST(Molten Salt & Molten salt reactor Technology)项目,由欧洲原子能共同体和其中六个国家参与,评价世界上有关熔盐堆发展状况;2006-2007年开始了ALISIA(Assessment of Liquid Salt for Innovative Applications)项目,对欧盟熔盐堆路线上的液体盐的各种应用开展评价;2009年启动了SUMO项目,对MSFR(molten salt fast reactor)进行可行性评估;2011年开始了EVOL计划,对MSFR的初始设计及安全方案进行优化。开展液态燃料熔盐堆的评估与可行性研究,基于对反应堆堆芯的物理、化学和材料学研究,以及后处理设施和废物处置设施的研究结果来提出最佳的熔盐快堆系统设计。

900MW模块化球床堆设计

 

  2001-2003年期间,美国依靠其雄厚的科学技术积累,结合高温制氢等核能综合利用的需求,由美国橡树岭国家实验室(ORNL)、桑地亚国家实验室(SNL)和加利福利亚大学伯克利分校(UCB)共同发展和提出熔盐堆家族的新成员──固态燃料熔盐堆概念,即为先进高温堆(Advanced High Temperature Reactor, AHTR),也可称为氟盐冷却高温堆(Floride Salt-Cooled High Temperature Reactors,FHRs),其核心特点是使用氟盐冷却技术和包覆颗粒燃料技术,同时又继承和发展了其他反应堆的众多优点和技术基础,包括液态熔盐堆的合金结构材料技术、高温气冷堆的布雷顿循环技术、液态金属反应堆的非能动衰变热排出技术等,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。

各类固态燃料熔盐堆概念设计

 

  2003年以来,美国以ORNL,SNL和UCB等参与的研究团队发展了固态燃料熔盐堆的各种概念,并进行了包括棱柱形燃料先进高温堆、棒状燃料先进高温堆、球床先进高温堆、板状燃料先进高温堆等四种具体设计。2009年完成了900MW氟盐冷却高温反应堆设计,堆芯为环形设计,半径240cm,高度300cm,中心位置放石墨柱,功率密度约20-30MW/m3;燃料为UC0.5O1.5,使用3cm的铀燃料球及可增殖的Th球,数目约为300万个;冷却剂为2LiF-BeF2。2010到2011年期间,ORNL进行了板型氟盐冷却高温反应堆的设计,包括热功率为3400MW和125MW两种,设计采用板型燃料元件,以充分利用熔盐优异的传热性质,提高堆芯比功率。

  2011年,美国能源部开始启动固态燃料熔盐堆前期研究计划,MIT、UCB、Wisconsin参加,ORNL、INL、Westwood合作参与,将2009年UCB等提出的900MW球床氟盐冷却高温反应堆定为基准设计,讨论氟盐冷却高温反应堆的发展战略,拟定氟盐冷却高温反应堆的关键问题和解决的技术路线,并且进行各种功率反应堆的概念设计。