分析 | 釷基熔鹽堆引領(lǐng)核能進(jìn)入新紀(jì)元？

2017-11-22 21:01:36 來源:核電那些事　點(diǎn)擊量：評論 (0)

11月7日，中國科學(xué)院甘肅省人民政府簽署《中國科學(xué)院、甘肅省人民政府釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)項(xiàng)目戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》。杜基熔鹽堆是什么堆？釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（ThoriumMoltenSaltReactorNuclearEnergySystem，TMSR

11月7日，中國科學(xué)院甘肅省人民政府簽署《中國科學(xué)院、甘肅省人民政府釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)項(xiàng)目戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》。

杜基熔鹽堆是什么堆？

釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（ThoriumMoltenSaltReactorNuclearEnergySystem，TMSR），是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的6種候選之一，包括釷基核燃料、熔鹽堆、核能綜合利用3個(gè)子系統(tǒng)，具有高固有安全性、核廢料少、防擴(kuò)散性能和經(jīng)濟(jì)性更好等特點(diǎn)。

其中，熔鹽堆使用高溫熔鹽作為冷卻劑，具有高溫、低壓、高化學(xué)穩(wěn)定性、高熱容等熱物特性，無需使用沉重而昂貴的壓力容器，適合建成緊湊、輕量化和低成本的小型模塊化反應(yīng)堆。此外熔鹽堆采用無水冷卻技術(shù)，只需少量的水即可運(yùn)行，可在干旱地區(qū)實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。熔鹽堆輸出的高溫核熱可用于發(fā)電，也可用于工業(yè)熱應(yīng)用、高溫制氫以及氫吸收二氧化碳制甲醇等。

一個(gè)低調(diào)的存在

熔鹽堆研發(fā)始于20世紀(jì)40年代末的美國，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室于1965年建成液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆（MSRE），這是迄今世界上唯一建成并運(yùn)行的液態(tài)燃料反應(yīng)堆，也是唯一成功實(shí)現(xiàn)釷基核燃料（鈾-233）運(yùn)行的反應(yīng)堆。但由于“冷戰(zhàn)”的考慮，側(cè)重民用的熔鹽堆計(jì)劃下馬，美國熔鹽堆研發(fā)中止。

20世紀(jì)70代初，中國也曾選擇釷基熔鹽堆作為發(fā)展民用核能的起步點(diǎn)，上海“728工程”于1971年建成了零功率冷態(tài)熔鹽堆并達(dá)到臨界。但限于當(dāng)時(shí)的科技、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)水平，“728工程”轉(zhuǎn)為建設(shè)輕水反應(yīng)堆。

2011年，中國重啟釷基熔鹽堆研究。中科院圍繞國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，部署啟動(dòng)了首批中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）“未來先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”，計(jì)劃用20年左右的時(shí)間，在國際上首先實(shí)現(xiàn)釷基熔鹽堆的應(yīng)用，同時(shí)建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應(yīng)的科技隊(duì)伍。

據(jù)世界核新聞網(wǎng)2017年9月6日的報(bào)道，荷蘭核研究及顧問公司（NuclearResearchandConsultancyGroup，NRG）實(shí)驗(yàn)將產(chǎn)生關(guān)于安全運(yùn)行熔鹽堆（MSR）的新數(shù)據(jù)。

似乎，這一切表明：中斷了40年的熔鹽堆終于走出低谷，迎來了發(fā)展的春天。

因站隊(duì)錯(cuò)誤被叫停的堆型

核能能始終讓一部分人覺得恐慌。一是傳統(tǒng)的鈾基熱核反應(yīng)堆中超過95%的燃料將變成核廢料，而因?yàn)楹谐櫾兀浞派涠拘灾芷趯㈤L達(dá)數(shù)萬年，甚至更久。二是1986年的切爾諾貝利核事故以及2011年的日本福島事故造成的心理恐懼。由于高劑量電離輻射無色無味無臭，且殺人于無形的性質(zhì)，再加上部分放射性元素的超長半衰期，這些無形給公眾造成了巨大的心理陰影。

福島核事故現(xiàn)場

針對以上兩點(diǎn)，熔鹽堆在安全性方面的優(yōu)勢無須比較也能顯現(xiàn)：

不需要濃縮：最終的廢料不到鈾的一半，而放射毒性周期則小于兩百年，因此在核廢料的處理難度上，將有著質(zhì)的下降。

熔鹽既是燃料又是冷卻劑：具有天然的負(fù)反饋功能。當(dāng)反應(yīng)堆溫度過高時(shí)，進(jìn)一步的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠停止。

熔鹽堆無需加壓:由于本身液態(tài)，沒有堆芯熔毀的風(fēng)險(xiǎn)。

不需要大量的水作為慢化劑:選址更為自由，甚至可以考慮到放在地下以更大程度減低泄漏事故造成的損害。

看起來，熔鹽堆好像全是優(yōu)點(diǎn)，那為什么一直沒有推廣建設(shè)？

對熔鹽堆的集中研究最初源于美國飛行器反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)（USAircraftReactorExperiment，ARE）。1946年，美國空軍主導(dǎo)ARE的項(xiàng)目，希望研究出核動(dòng)力轟炸機(jī)。但最終，洲際導(dǎo)彈的迅速發(fā)展讓核動(dòng)力轟炸機(jī)失去了軍事價(jià)值。1961年核動(dòng)力飛行器項(xiàng)目終止，熔鹽堆也失去了軍方這個(gè)強(qiáng)有力的靠山。

于是乎，熔鹽堆抱上了民用爸爸的大腿。1965年，橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室在以ARE為基礎(chǔ)，建成了釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆（MSR），這并運(yùn)行了5年。

好景不長，受“冷戰(zhàn)”影響，美國原子能委員會(huì)（AEC）在熔鹽堆進(jìn)入了成熟發(fā)展期的70年代初突然削減熔鹽堆的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，性能好、設(shè)計(jì)巧、偏民用因而站隊(duì)不正確的熔鹽堆就這樣斷了口糧。

1976年，熔鹽堆計(jì)劃被尼克松政府叫停。后來，除了在印度卡帕坎建設(shè)過一個(gè)測試用的反應(yīng)爐，熔鹽堆的相關(guān)研究逐漸沉寂。

更具優(yōu)勢的釷燃料

熔鹽堆的好搭檔——釷燃料在和鈾燃料的競爭中，也慘遭落敗。

目前，地球上具有商業(yè)價(jià)值的易裂變元素有3種：鈾-235、鈾-233和钚-239。而自然界存在的易裂變元素只有鈾-235，釷-232和鈾-238則需要吸收快中子進(jìn)行增殖后，才能進(jìn)行裂變。

相較于鈾來說，釷具有很多優(yōu)勢。

儲(chǔ)量優(yōu)勢：地球上已探明的釷資源的儲(chǔ)量是鈾的3到4倍（至少）。我國目前已知的釷礦就超過28萬噸。以目前的用電量來估算，現(xiàn)有的釷資源至少可以支持全球一千年的用電量。

后處理優(yōu)勢：釷鈾燃料循環(huán)產(chǎn)生的钚和長壽命次錒系核素要少得多。

本身特性優(yōu)勢：釷及其氧化物具有耐輻射、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)高等特性，這樣反應(yīng)堆就能在更高溫度下運(yùn)行，獲得較深的燃耗，即產(chǎn)生更少的核廢料。

釷不適用于制造核武器：是理想的民用核燃料，有助于防止核擴(kuò)散。當(dāng)然，也是這一點(diǎn)導(dǎo)致了它的“政治不正確”。

說了這么多，看起來好像真的太過優(yōu)秀。難道釷就沒有什么缺點(diǎn)嗎？當(dāng)然還是有的。比如：

釷-232增殖來的鈾-233雖然是一種極好的裂變材料，但同時(shí)具有比鈾-235高得多的輻射性，會(huì)增加燃料棒的制作難度等紀(jì)。

終于迎來的轉(zhuǎn)機(jī)

21世紀(jì)初，美國能源部牽頭發(fā)起第四代反應(yīng)堆國際論壇（GenerationIVInternationalForum，GIF），對反應(yīng)堆提出了更高的經(jīng)濟(jì)性、安全性、核廢料最小化和防擴(kuò)散性要求，并篩選出了6種最有希望的第四代候選堆型：熔鹽堆（MSR）、超高溫堆（VHTR）、超臨界水冷堆（SCWR）、氣冷快堆（GFR）、鉛冷快堆（LFR）和鈉冷快堆（SFR）。第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)不僅包括反應(yīng)堆技術(shù)的研究，對核燃料的前處理和后處理也同樣重視，其目標(biāo)是在2030年開發(fā)出一種或若干種革新性核能系統(tǒng)。

6種堆型中，熔鹽堆是唯一的液態(tài)燃料反應(yīng)堆，因此不存在堆芯熔毀（福島核事故）問題，在緊急狀態(tài)下液態(tài)燃料可以排放到底部的儲(chǔ)存罐內(nèi)。

此外，熔鹽可以既作為冷卻劑也作為燃料，因此不需要制作燃料組件，故而可實(shí)現(xiàn)在線加料以及在線后處理，便于監(jiān)控和管理。另外由于熔鹽的比熱容較加壓水高，可以使反應(yīng)堆回路設(shè)計(jì)得更緊湊。

綜合上述原因，很多科研團(tuán)隊(duì)又重新鎖定釷基熔鹽堆：

反應(yīng)本身：釷基熔鹽堆可以形成閉式燃料循環(huán)：釷-232可以增殖為鈾-233為反應(yīng)堆補(bǔ)充燃料，裂變產(chǎn)物在分離器中可以分離出可利用的燃料并除去有毒的嬗變元素，在重新添加到熔鹽燃料中。

材料：不銹鋼在熔融狀態(tài)的的氟化鈾與氟化釷中是穩(wěn)定的，具有很好的相容性。這兩種氟化鹽在熔融狀態(tài)下具有很低的蒸汽壓力，傳熱學(xué)性和化學(xué)穩(wěn)定性很好，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)所受的機(jī)械應(yīng)力較小。

歷史積累優(yōu)勢：熔鹽堆在40年前就成功運(yùn)行了5年，積累了很多經(jīng)驗(yàn)。

原理優(yōu)勢：釷基熔鹽堆的實(shí)現(xiàn)難度和技術(shù)瓶頸都比所有人心目中的終極能源——核聚變要小很多。

本世紀(jì)初開始，美國、法國、俄羅斯、日本、韓國、中國等先后開啟示了熔鹽堆研究計(jì)劃。

因?yàn)樾率兰o(jì)，防核擴(kuò)散成為民用核能發(fā)展的主要制約問題，釷基熔鹽堆不能用于生產(chǎn)钚成為了和平開發(fā)利用核能的優(yōu)勢。

目前，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室與中國核電正在上海合作研究釷基熔鹽堆，并有望于2035年建成100MW液態(tài)燃料釷基熔鹽示范堆。

半個(gè)世紀(jì)的橡樹嶺之夢逐漸重鑄。

美國核動(dòng)力奠基人艾爾文˙溫伯格（A.M.Weinberg）就在《第一核紀(jì)元》中寫道：

“在核能發(fā)展初期，反應(yīng)堆的形成存在各種可能性：燃料有鈾-233，鈾-235，钚-239；冷卻劑有輕水，重水，氣體，液態(tài)金屬；慢化劑有輕水，重水，鈹，石墨。”

相較而言，釷資源的“先天優(yōu)勢”似乎更適合于造福人類。逐步重建的“橡樹嶺”之夢，是否會(huì)引領(lǐng)核能進(jìn)入嶄新的紀(jì)元？

原標(biāo)題:釷基熔鹽堆引領(lǐng)核能進(jìn)入新紀(jì)元？

責(zé)任編輯：lixin

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