迟到的新技术——第四代核能技术之熔盐堆的文艺复兴

编者按：1976年美国三里岛核事故、1986年前苏联切尔诺贝利核事故以及2011年日本福岛的核电事故再次给世人敲响警钟，核电发展的安全性高于一切。熔盐堆作为第四代核能技术主推的6种堆型之一，是唯一使用液态燃料的堆型，其显著的固有安全性吸引了世界的眼球。

相比目前的第三代反应堆主流核电技术，第四代技术包括了核燃料加工技术、反应堆技术和核废料处理技术，设计和研发更加人性化，瞄准的是未来20~30年后核能产业发展的需求。熔盐堆是其主推的6种最具开发前景堆型之一[1]。

熔盐堆卷土重来

熔盐堆是利用流动的熔盐为载体，将核燃料熔于载体熔盐，进而形成堆芯循环流动的液态燃料反应堆。

熔盐堆系统示意图[2]

注：熔盐堆是将核燃料融在用作冷却剂的液态氟化盐中，当燃料盐留出反应堆时，可以用干法分离技术在线分离增殖产物和裂变产物。

19世纪40年代，美国最早提出熔盐堆的概念。但在发展过程中，全球政局及经济因素共同制约了熔盐堆发展。2012年，美国能源部启动研发氟盐冷却固态燃料高温堆的研究项目（FHR）为熔盐堆的发展奠定了坚实的基础，2013年，FHR概念设计和初始基准设计完成。

FHR原理示意图[3]

注：FHR设计采用包覆颗粒燃料，氟盐作为冷却剂，同时采用非能动预热排除系统和氦气布雷顿循环体系

FHR集成了熔盐堆、气冷堆、钠冷堆、压水堆的优点，具有经济性、安全性、防核扩散和高效率利用核燃料的优点。FHR高能量密度的特点使其成为未来小型模块堆的有力竞争者。球床型FHRs可以做到在不停堆的情况下连续更换燃料，同时可在改进的开环模式下完成钍铀燃料循环，提高了钍铀的利用率，目前球床型FHRs被作为新一代钍铀燃料循环的起步。

模块化球床FHR示意图[4]

中国期待建造改变世界的反应堆

近年来，中国在核电领域逐渐展露大国风范。截至2015年12月底，中国在运行核电机组29台，总装机容量28.46GW，世界排名第5，在建机组20台，占国际在建总装机容量的36%，世界排名第1。《2016世界能源展望》报告显示，在展望期内，中国核电增长速度年均11.2%，到2020年这一速度将翻一番，而到2035年将增加至现在的9倍[5]。

2016世界核能发电展望[5]

1972年，中国核电站研制之初采用的就是熔盐堆的方案，但由于世界格局和技术因素，使得中国核电站的研究方向转变由熔盐堆转为压水堆；2005年，中国重新开启熔盐堆的研究；2011年，中国科学院牵头开展了熔盐堆的相关研究，提出了中国科学院战略性先导科技专项，即“未来现金核裂变能——钍基熔盐堆核能系统（TMSR）”。

“与第三代核技术相比，熔盐堆更安全，也更灵活，冷却剂为氟化盐，冷却后即变为固态盐，既不易泄漏，又不会与水源接触导致污染。同时，由于不依赖水源，使得反应堆选址更加自由，一旦技术成熟，可为中国内陆核电建设提供更灵活的厂址选择。”在2015年中国核学会学术年会上，中国科学院先进核能创新研究院筹备组组长徐洪杰说。

曾经风靡全球的熔盐堆技术

在美国提出熔盐堆概念之后，俄罗斯、法国、日本、英国和中国都相继开展了熔盐堆的研究。

美国：1946年，美国启动ANP飞机核动力装置计划，科学家们提出以核能为动力的飞机设想，1954年，ORNL建成了世界上首个熔盐堆-美国飞行器反应堆实验ARE。在这之后，开挂的美国人展开了疯狂的熔盐堆研究之路，相继提出了单回路燃料各向同性熔盐堆和双回路石墨慢化熔盐堆的设想，也超前的预设了在反应堆的设计中采用钍铀燃料循环系统以实现增殖。2002年，熔盐堆被列为6种第四代反应候选堆型之一；2012年，美国能源部启动研发氟盐冷却固态燃料高温堆的研究项目（FHR）。

1976年10月，时任ORNL主任的Alvin Weinberg在MSRE上记录其满额运行6000h[6]

俄罗斯：20世纪70年代，俄罗斯开展过Th-233U燃料循环、嬗变等熔盐堆方面的基础研究，并与欧洲原子共同体合作提出了 2400MW 的熔盐锕系元素再循环与嬗变堆（MOSART）。1986 年，切尔诺贝利事故带来的影响使得俄罗斯的熔盐堆研究几乎停滞。

法国：自1997年法国就一直进行着熔盐堆快堆方面的研究，在2006年，法国国家科学研究中心下属的LPSC实验室提出了熔盐快堆（MSFR）的设计概念，2014年，最新的MSFR概念设计成为FGIF论坛液态燃料熔盐堆技术的参考设计堆型。

日本：19世纪80年代，日本开始致力于熔盐堆的研究，并提出了钍基熔盐堆核能协作系统的设计概念。

英国：1964年到1965年，英国进行了部分熔盐快堆的研究工作，与美国同时开展的熔盐热堆研究遥相呼应。

中国：20世纪70年代，中国开始进行熔盐堆的相关研究工作，1971年，石墨-熔盐零功率堆达到临界，但后来728工程用压水堆方案取代了熔盐堆的概念设计；2011年，中国科学院钍基TMSR研究中心揭牌，时隔40年之后，中国再次启动钍基熔盐堆的研究。

钍铀燃料循环为新一代熔盐堆保驾护航

• 铀基燃料的江湖地位不保

铀基和钍基是裂变反应堆中的主要核燃料类型。目前已产业化应用的核能技术是基于压水堆为代表的热中子反应堆技术。235U是其自然界存在的唯一的裂变材料。但235U极低的天然丰度（约为0.7%）会使其与化石能源一起枯竭。而从总的裂变核燃料利用率来看，1~2%的利用率使得铀被纳入乏燃料（核废料）的行列。乏燃料含有的核裂变产物和次锕系元素等高放射性核素，使其处理难度极大。同时乏燃料潜伏着一个危险因子，即用于制造核武器的239Pu，239Pu的存在使得铀基核电站技术隐藏着极大的核扩散的危险。

百花齐放的核电事业发展，必然需要大量的核燃料，未雨绸缪，寻求新的替代燃料十分必要。232Th与233U的性质相似，通过转化或者增殖，232Th会转变为233U。钍基核燃料堆在裂变发电过程中，产生的锕系元素含量低于其他堆型，减少了核废料的产生，同时钍基乏燃料中的Pu等可以用于生产核武器的成分不易提取，因此有利于预防核扩散。钍基核燃料具有232Th/233U 转换效率高、在热中子堆中也能增殖、产生较少的高毒性放射性核素、有利于防核扩散等优点。而从储量上来说，地壳中钍储量丰富，是铀的3~4倍，开发应用前景良好。

²³²Th 的增殖反应和²³³U 的链式裂变反应[3]

• 未来理想的闭环模式

钍基和铀基核燃料利用工作模式分为开环模式和闭环模式。开环模式是目前核工业普遍采用的模式，核燃料利用率介于1%和2%之间；闭环模式是核燃料再循环模式，通过乏燃料、核燃料的再制造和进堆使用，可以多次重复利用核燃料循环过程，核燃料的理论利用率约为60%。

三类核燃料循环模式[4]

图中所示为从矿石开采浓缩到制备成核燃料以后，核燃料的3类循环模式。由图中可见，第三类闭环模式，可以对所有的乏燃料进行后处理，回收后的裂变材料可以进行多次循环利用，是今后核燃料的理想循环模式。

中国熔盐堆研究致力发展固体燃料和液态燃料2种技术，以最终实现基于熔盐堆的钍资源高效利用。钍铀循环核数据、结构材料、后处理技术等基础性研究工作是下一阶段中国的研究重点。

未来，TMSR仿真装置、10 MW固态燃料TMSR实验装置和具有在线干法后处理功能的2 MW液态燃料TMSR实验装置是中国熔盐堆的技术支撑。中国预计到2030年左右，实现全面掌握TMSR设计技术，基本完成工业示范堆建设，同时发展小型熔盐堆模块化技术，并达到进行商业化推广的目的。

参考文献：

[1]https://www.technologyreview.com/s/602051/fail-safe-nuclear-power/.

[2]DoE U S. A technology roadmap for generation IV nuclear energy systems[C],GIF-002-00//Nuclear Energy Research Advisory Committee and the Generation IVInternational Forum. 2002.

[3]张志宏. 2 MWt 液态钍基熔盐堆辐射屏蔽的预概念设计[D]. 中国科学院上海应用物理研究所，2014.

[4] 江绵恒，徐洪杰，戴志敏.未来先进裂变能—TMSR 核能系统[J].中国科学院战略性先导

科技专项.2012,27(3):366-374.

[5] http://www.bp.com/zh_cn/china/reports-and-publications/_bp_2016_.html.

[6] https://www.ornl.gov/news/msres-50th.

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