张欣、铁流:中国大力发展的熔盐反应堆有何神奇之处

2017年末,根据中科院官网介绍,中国有望在2020年前后于甘肃建成2个熔盐堆。

由于化石能源终将耗尽,科学家们一直在寻找可以替代化石能源的新能源,而在众多新能源中,核能被很多专家认为是比风能、太阳能更具潜力和发展前景的新能源。因为在大规模长时间储能技术成熟以前,风能、太阳能等可再生能源能量密度低、随机波动、间歇性、和分布不匀决定了均不适合作为能源体系内的基荷发电形式。

第四代核能系统国际论坛(GIF)共推荐了6种先进核能系统:钠冷快堆(SFR)、超高温气冷堆(VHTR)、超临界水堆(SCWR)、气冷快堆(GFR)、铅冷快堆(LFR)和熔盐堆(MSR),作为四代核电的候选堆型。

那么,熔盐堆有何神奇之处?促使中国在拥有高温气冷堆和钠冷快堆两款具有第四代核能系统技术特征的核反应堆的同时,还积极研发和建设熔盐堆核电站呢?

张欣、铁流:中国大力发展的熔盐反应堆有何神奇之处


熔盐堆并非新概念

熔盐堆是6种第四代反应堆之一,在固有安全性、经济性、核资源可持续发展,以及防核扩散等方面具有其它反应堆无法比拟的优点。

虽然熔盐堆是第四代反应堆,但它并非是新鲜事物,早在几十年前,国际上就已经有相关研究了。

在上世纪40年代,美国空军启动核能飞行器推进工程,为轰炸机寻求航空核动力。在1951年,启动了Aircraft Nuclear Propulsion计划。在计划中,核动力轰炸机中计划采用4个核动力涡轮发动机,设计功率为200MW,由熔盐堆反应产生的热能取代喷气发动机内的燃料燃烧提供动力,可连续飞行数周时间。

美国橡树岭国家实验室承担了Aircraft Nuclear Propulsion计划中核能引擎反应堆的研发任务,于1954年建成第1个用于军用空间核动力研究的2.5MW熔盐堆,1965—1968年,美国橡树岭国家实验室成功运行了8MW熔盐实验堆3000小时,证明了熔盐堆的可行性。

不过,由于战略导弹的异军突起,使核动力轰炸机变为鸡肋,熔盐堆也随之转向民用。然而,冷战时期美国政府更加青睐适合生产武器用钚、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。

在上世纪70年代,苏联也开始研究熔盐堆。不过,受切尔诺贝利核事故与苏联解体的影响,相关研究近乎停滞。

在70年代,清华大学也曾经研究过熔盐堆,受资金限制,主要侧重于前期技术预研,并未建设实验堆。

近些年,中国科学院启动了“未来先进核裂变能”战略性先导科技专项,钍基熔盐堆核能系统作为其两大部署内容之一,计划用20年左右的时间,致力于研发第四代先进裂变反应堆核能系统,实现核燃料多元化、防止核扩散和核废料最小化等战略目标。

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(中国钍基熔盐堆核能系统阶段发展目标)

熔盐堆的结构和工作原理

钍基熔盐堆可以分为固态钍基熔盐堆和液态钍基熔盐堆,具备三个基本特征:一是利用钍基燃料,二是采用熔盐冷却,三是具有基于高温输出的核能综合利用系统。

液态钍基熔盐堆是第四代反应堆中唯一使用液态燃料的反应堆,因其特殊性,这里就主要介绍液态钍基熔盐堆。

液态钍基熔盐堆的基本结构包括堆本体、回路系统、换热器、燃料盐后处理系统、发电系统及其他辅助设备等。由于使用液体核燃料,这就决定了其工作原理与常规固体燃料反应堆有所不同:

含有钍的燃料熔盐以高于500℃的堆芯入口温度,流入经优化设计的堆芯达到临界,燃料熔盐在堆芯处发生裂变反应释放热量。回路系统中的一回路带出堆芯热能,二回路将一回路熔盐热量传递给第三个氦气回路,推动氦气轮机做功发电。对于被核辐射照射过的液态燃料盐,燃料盐后处理系统会对其进行回收和循环利用。

张欣、铁流:中国大力发展的熔盐反应堆有何神奇之处

熔盐堆具有哪些特点和优势

首先,熔盐堆具有较高的安全性。液体熔盐堆采用高温熔盐作核燃料,兼作载热剂,不需专门制作燃料组件,因而杜绝了堆芯融化事故发生的可能。加上熔盐的低蒸气压减少了破口事故的发生,即便发生破口事故,熔盐在环境温度下也会迅速凝固,能够防止事故进一步扩展。

其次,熔盐堆可有效利用核资源和防止核扩散。由于钍基熔盐堆所使用的钍无法用于核武器制造,因而推广钍基熔盐堆能大幅降低核扩散的风险。必须指出的是,中国的铀矿储备虽然并不出众,但钍储量居于世界前列。也就是说,一旦钍基熔盐堆投入商业运营,中国基本不必为核燃料来源担忧。

再次,熔盐堆的热功率密度和发电效率高。熔盐堆的堆芯结构较为简单,因而可以设计成具有较高功率输出的小型反应堆。同时熔盐堆可以采用布雷顿循环,发电效率高达45%—50%。加上熔盐堆具有运行无需控制棒、不停堆换料、寿命长、功率易调等特点,使其可以用于核动力潜艇和水面舰艇上。

最后,熔盐堆具有多样化的功能。熔盐堆不仅能够发电,还可产生高温工艺热,服务于工业制造。此外,熔盐堆还具有供热、煤气化、甲烷重整、制氢等功能。

张欣、铁流:中国大力发展的熔盐反应堆有何神奇之处

还需要攻克哪些技术难关

液态钍基燃料熔盐堆具有良好的经济性、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也具有极高的可行性。

不过,针对堆运行温度高、熔盐腐蚀性强和后处理技术不成熟的特点,还有不少需要克服的技术难题。

首先,燃料盐的流动特性使得熔盐堆技术成为完全不同于其他固体燃料反应堆的一种全新核反应堆技术,尚无成熟的反应堆设计和安全分析方法以及安全评估规范可供借鉴。

其次,燃料盐连续在线后处理技术的可行性需要进行进一步的实验验证。

再次,熔盐堆中流体燃料直接接触石墨,因此熔盐堆对于核纯级石墨密封工艺和制造工艺要求较高。

最后,燃料盐直接接触管壁,管壁受到的中子通量较高,因此制作管壁的材料需要有较高的耐中子辐照性能。

张欣、铁流:中国大力发展的熔盐反应堆有何神奇之处


诚然,要将蓝图变为现实还要解决很多问题。我们由衷祝愿中国的科研人员能够披荆斩棘,建成熔盐堆。

如果中国能够实现这一目标,不仅可实现核燃料多元化,确保我国核电长期发展和促进节能减排,还可以防止核扩散和实现核废料最小化,为和平利用核能开辟一条新途径。

一句话总结,熔盐堆是优点和挑战几乎同样巨大的一种堆型。目前在六种候选四代堆型里几乎是离商用最遥远的。要在2020年前后实现建成两座商用熔盐堆的技术难度非常高。

诚然,要将蓝图变为现实还要解决很多问题。我们由衷祝愿中国的科研人员能够披荆斩棘,建成熔盐堆。

如果中国能够实现这一目标,不仅可实现核燃料多元化,确保我国核电长期发展和促进节能减排,还可以防止核扩散和实现核废料最小化,为和平利用核能开辟一条新途径。

一句话总结,熔盐堆是优点和挑战几乎同样巨大的一种堆型。目前在六种候选四代堆型里几乎是离商用最遥远的。要在2020年前后实现建成两座商用熔盐堆的技术难度非常高。

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