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钍基熔盐堆丨引领核能进入新纪元?

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发布时间:2018-05-19 08:59:12

钍基熔盐堆丨引领核能进入新纪元?


钍基熔盐堆核能系统(Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System,TMSR),是第四代先进核能系统的 6 种候选之一,包括钍基核燃料、熔盐堆、核能综合利用 3 个子系统,具有高固有安全性、核废料少、防扩散性能和经济性更好等特点。

其中,熔盐堆使用高温熔盐作为冷却剂,具有高温、低压、高化学稳定性、高热容等热物特性,无需使用沉重而昂贵的压力容器,适合建成紧凑、轻量化和低成本的小型模块化反应堆。此外熔盐堆采用无水冷却技术,只需少量的水即可运行,可在干旱地区实现高效发电。熔盐堆输出的高温核热可用于发电,也可用于工业热应用、高温制氢以及氢吸收二氧化碳制甲醇等。

 

02
一个低调的存在

 

熔盐堆研发始于 20 世纪 40 年代末美国,橡树岭国家实验室于 1965 年建成液态燃料熔盐实验堆(MSRE),这是迄今世界上唯一建成并运行的液态燃料反应堆,也是唯一成功实现钍基核燃料(铀-233) 运行的反应堆。但由于“冷战”的考虑,侧重民用的熔盐堆计划下马,美国熔盐堆研发中止。

20 世纪 70 代初,中国也曾选择钍基熔盐堆作为发展民用核能的起步点,上海“728 工程”于 1971 年建成了零功率冷态熔盐堆并达到临界。但限于当时的科技、工业和经济水平,“728 工程”转为建设轻水反应堆。

2011年,中国重启钍基熔盐堆研究。中科院围绕国家能源安全与可持续发展需求,部署启动了首批中科院战略性先导科技专项(A类)“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”,计划用 20 年左右的时间,在国际上首先实现钍基熔盐堆的应用,同时建立钍基熔盐堆产业链和相应的科技队伍。

据世界核新闻网2017年9月6日的报道,荷兰核研究及顾问公司(Nuclear Research and Consultancy Group,NRG)实验将产生关于安全运行熔盐堆(MSR)的新数据。

似乎,这一切表明:

中断了 40 年的熔盐堆终于走出低谷,迎来了发展的春天。

 

 

03
因站队错误被叫停的堆型

 

核能能始终让一部分人觉得恐慌。一是传统的铀基热核反应堆中超过95%的燃料将变成核废料,而因为含有超铀元素,其放射毒性周期将长达数万年,甚至更久。二是1986年的切尔诺贝利核事故以及2011年的日本福岛事故造成的心理恐惧。由于高剂量电离辐射无色无味无臭,且杀人于无形的性质,再加上部分放射性元素的超长半衰期,这些无形给公众造成了巨大的心理阴影。

福岛核事故现场

针对以上两点,熔盐堆在安全性方面的优势无须比较也能显现:

不需要浓缩

最终的废料不到铀的一半,而放射毒性周期则小于两百年,因此在核废料的处理难度上,将有着质的下降。

熔盐既是燃料又是冷却剂
具有天然的负反馈功能。当反应堆温度过高时,进一步的链式反应能够停止。
熔盐堆无需加压
由于本身液态,没有堆芯熔毁的风险。
不需要大量的水作为慢化剂
选址更为自由,甚至可以考虑到放在地下以更大程度减低泄漏事故造成的损害。

 

看起来,熔盐堆好像全是优点,那为什么一直没有推广建设?

对熔盐堆的集中研究最初源于美国飞行器反应堆实验(US Aircraft Reactor Experiment,ARE)。1946年,美国空军主导ARE的项目,希望研究出核动力轰炸机。但最终,洲际导弹的迅速发展让核动力轰炸机失去了军事价值。1961年核动力飞行器项目终止,熔盐堆也失去了军方这个强有力的靠山。

于是乎,熔盐堆抱上了民用爸爸的大腿。1965年,橡树岭实验室在以ARE为基础,建成了钍基熔盐实验堆(MSR),这并运行了5年。

好景不长,受“冷战”影响,美国原子能委员会(AEC)在熔盐堆进入了成熟发展期的70年代初突然削减熔盐堆的研发经费,性能好、设计巧、偏民用因而站队不正确的熔盐堆就这样断了口粮。

1976年,熔盐堆计划被尼克松政府叫停。后来,除了在印度卡帕坎建设过一个测试用的反应炉,熔盐堆的相关研究逐渐沉寂。

 

04
更具优势的钍燃料

 

熔盐堆的好搭档——钍燃料在和铀燃料的竞争中,也惨遭落败。

目前,地球上具有商业价值的易裂变元素有3种:铀-235、铀-233和钚-239。而自然界存在的易裂变元素只有铀-235,钍-232和铀-238则需要吸收快中子进行增殖后,才能进行裂变。

相较于铀来说,钍具有很多优势。

储量优势

地球上已探明的钍资源的储量是铀的3到4倍(至少)。我国目前已知的钍矿就超过28万吨。以目前的用电量来估算,现有的钍资源至少可以支持全球一千年的用电量。

后处理优势
钍铀燃料循环产生的钚和长寿命次锕系核素要少得多。
本身特性优势
钍及其氧化物具有耐辐射、耐高温、导热系数高等特性,这样反应堆就能在更高温度下运行,获得较深的燃耗,即产生更少的核废料。
钍不适用于制造核武器
是理想的民用核燃料,有助于防止核扩散。当然,也是这一点导致了它的“政治不正确”。

 

说了这么多,看起来好像真的太过优秀。难道钍就没有什么缺点吗?当然还是有的。比如:

钍-232增殖来的铀-233虽然是一种极好的裂变材料,但同时具有比铀-235高得多的辐射性,会增加燃料棒的制作难度等纪。

 

05
终于迎来的转机

 

21世纪初,美国能源部牵头发起第四代反应堆国际论坛(Generation IV International Forum,GIF),对反应堆提出了更高的经济性、安全性、核废料最小化和防扩散性要求,并筛选出了 6种最有希望的第四代候选堆型:熔盐堆(MSR)、超高温堆(VHTR)、超临界水冷堆(SCWR)、气冷快堆(GFR)、铅冷快堆(LFR)和钠冷快堆(SFR)。第四代反应堆系统不仅包括反应堆技术的研究,对核燃料的前处理和后处理也同样重视,其目标是在 2030 年开发出一种或若干种革新性核能系统。

6种堆型中,熔盐堆是唯一的液态燃料反应堆,因此不存在堆芯熔毁(福岛核事故)问题,在紧急状态下液态燃料可以排放到底部的储存罐内。

此外,熔盐可以既作为冷却剂也作为燃料,因此不需要制作燃料组件,故而可实现在线加料以及在线后处理,便于监控和管理。另外由于熔盐的比热容较加压水高,可以使反应堆回路设计得更紧凑。

 

综合上述原因,很多科研团队又重新锁定钍基熔盐堆:

反应本身

钍基熔盐堆可以形成闭式燃料循环:钍-232可以增殖为铀-233为反应堆补充燃料,裂变产物在分离器中可以分离出可利用的燃料并除去有毒的嬗变元素,在重新添加到熔盐燃料中。

材料
不锈钢在熔融状态的的氟化铀与氟化钍中是稳定的,具有很好的相容性。这两种氟化盐在熔融状态下具有很低的蒸汽压力,传热学性和化学稳定性很好,反应堆结构所受的机械应力较小。
历史积累优势
熔盐堆在40年前就成功运行了5年,积累了很多经验。
原理优势
钍基熔盐堆的实现难度和技术瓶颈都比所有人心目中的终极能源——核聚变要小很多。

本世纪初开始,美国、法国、俄罗斯、日本、韩国、中国等先后开启示了熔盐堆研究计划。

因为新世纪,防核扩散成为民用核能发展的主要制约问题,钍基熔盐堆不能用于生产钚成为了和平开发利用核能的优势。

目前,美国橡树岭国家实验室与中国核电正在上海合作研究钍基熔盐堆,并有望于2035年建成100MW液态燃料钍基熔盐示范堆。

半个世纪的橡树岭之梦逐渐重铸。

美国核动力奠基人艾尔文·温伯格(A.M.Weinberg)就在《第一核纪元》中写道:

在核能发展初期,反应堆的形成存在各种可能性:燃料有铀-233,铀-235,钚-239;冷却剂有轻水,重水,气体,液态金属;慢化剂有轻水,重水,铍,石墨。

相较而言,钍资源的“先天优势”似乎更适合于造福人类。逐步重建的“橡树岭”之梦,是否会引领核能进入崭新的纪元?