中國大力發(fā)展的熔鹽反應(yīng)堆有何神奇之處

1、中國大力發(fā)展的熔鹽反應(yīng)堆有何神奇之處2017 年末，根據(jù)中科院官網(wǎng)介紹， 中國有望在 2020 年 前后于甘肅建成 2 個(gè)熔鹽堆。由于化石能源終將耗盡，科學(xué)家們一直在尋找可以替代化 石能源的新能源，而在眾多新能源中，核能被很多專家認(rèn)為 是比風(fēng)能、太陽能更具潛力和發(fā)展前景的新能源。因?yàn)樵诖?規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù)成熟以前，風(fēng)能、太陽能等可再生能源 能量密度低、隨機(jī)波動(dòng)、間歇性、和分布不勻決定了均不適 合作為能源體系內(nèi)的基荷發(fā)電形式。第四代核能系統(tǒng)國際論 壇（ GIF ）共推薦了 6 種先進(jìn)核能系統(tǒng)：鈉冷快堆（ SFR）、 超高溫氣冷堆（ VHTR ）、超臨界水堆（ SCWR ）、氣冷快堆 （GFR

2、）、鉛冷快堆（ LFR ）和熔鹽堆（ MSR ），作為四代核 電的候選堆型。那么，熔鹽堆有何神奇之處？促使中國在擁有高溫氣冷堆 和鈉冷快堆兩款具有第四代核能系統(tǒng)技術(shù)特征的核反應(yīng)堆 的同時(shí)，還積極研發(fā)和建設(shè)熔鹽堆核電站呢？熔鹽堆并非新概念熔鹽堆是 6 種第四代反應(yīng)堆之一， 在固有安全性、 經(jīng)濟(jì)性、 核資源可持續(xù)發(fā)展，以及防核擴(kuò)散等方面具有其它反應(yīng)堆無 法比擬的優(yōu)點(diǎn)。雖然熔鹽堆是第四代反應(yīng)堆，但它并非是新鮮事物，早在 幾十年前，國際上就已經(jīng)有相關(guān)研究了。在上世紀(jì) 40 年代，美國空軍啟動(dòng)核能飛行器推進(jìn)工程，為 轟炸機(jī)尋求航空核動(dòng)力。 在 1951 年，啟動(dòng)了 Aircraft Nuclear Pr

3、opulsion 計(jì)劃。在計(jì)劃中，核動(dòng)力轟炸機(jī)中計(jì)劃采用 4 個(gè) 核動(dòng)力渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)功率為 200MW ，由熔鹽堆反應(yīng)產(chǎn) 生的熱能取代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃料燃燒提供動(dòng)力，可連續(xù)飛 行數(shù)周時(shí)間。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了 Aircraft Nuclear Propulsion 計(jì)劃中核能引擎反應(yīng)堆的研發(fā)任務(wù)，于 1954 年建成第 1 個(gè) 用于軍用空間核動(dòng)力研究的 2.5MW 熔鹽堆， 1965 1968 年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室成功運(yùn)行了 8MW 熔鹽實(shí)驗(yàn)堆 3000 小時(shí)，證明了熔鹽堆的可行性。不過，由于戰(zhàn)略導(dǎo)彈的異軍突起，使核動(dòng)力轟炸機(jī)變?yōu)殡u 肋，熔鹽堆也隨之轉(zhuǎn)向民用。然而，冷戰(zhàn)時(shí)期美國政

4、府更加 青睞適合生產(chǎn)武器用钚、具有軍民兩用前景的鈉冷快堆，放 棄了更適合釷鈾燃料循環(huán)、側(cè)重于民用的熔鹽堆。在上世紀(jì) 70 年代，蘇聯(lián)也開始研究熔鹽堆。不過，受切爾 諾貝利核事故與蘇聯(lián)解體的影響，相關(guān)研究近乎停滯。在 70 年代，清華大學(xué)也曾經(jīng)研究過熔鹽堆，不過受資金限 制，主要側(cè)重于前期技術(shù)預(yù)研，并未建設(shè)實(shí)驗(yàn)堆。在近些年， 中國科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了“未來先進(jìn)核裂變能”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)作為其兩大部署內(nèi)容之一， 計(jì)劃用 20 年左右的時(shí)間，致力于研發(fā)第四代先進(jìn)裂變反應(yīng) 堆核能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)核燃料多元化、防止核擴(kuò)散和核廢料最小 化等戰(zhàn)略目標(biāo)。（中國釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)階段發(fā)展目標(biāo)） 熔鹽堆的

5、結(jié)構(gòu)和工作原理釷基熔鹽堆可以分為固態(tài)釷基熔鹽堆和液態(tài)釷基熔鹽堆， 具備三個(gè)基本特征： 一是利用釷基燃料， 二是采用熔鹽冷卻， 三是具有基于高溫輸出的核能綜合利用系統(tǒng)。液態(tài)釷基熔鹽堆是第四代反應(yīng)堆中唯一使用液態(tài)燃料的反 應(yīng)堆，因其特殊性，這里就主要介紹液態(tài)釷基熔鹽堆。液態(tài)釷基熔鹽堆的基本結(jié)構(gòu)包括堆本體、回路系統(tǒng)、換熱 器、燃料鹽后處理系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備等。由于 使用液體核燃料，這就決定了其工作原理與常規(guī)固體燃料反 應(yīng)堆的工作原理有所不同：含有釷的燃料熔鹽以高于 500 C的堆芯入口溫度，流入經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的堆芯達(dá)到臨界，燃料熔鹽在堆芯處發(fā)生裂變反應(yīng)釋 放熱量?；芈废到y(tǒng)中的一回路帶出堆芯熱能

6、，二回路將一回 路熔鹽熱量傳遞給第三個(gè)氦氣回路，推動(dòng)氦氣輪機(jī)做功發(fā)電。 對(duì)于被核輻射照射過的液態(tài)燃料鹽，燃料鹽后處理系統(tǒng)會(huì)對(duì) 其進(jìn)行回收和循環(huán)利用。（熔鹽堆示意圖）熔鹽堆具有哪些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)首先，熔鹽堆具有較高的安全性。液體熔鹽堆采用高溫熔 鹽作核燃料，兼作載熱劑，不需專門制作燃料組件，因而杜 絕了堆芯融化事故發(fā)生的可能。加上熔鹽的低蒸氣壓減少了 破口事故的發(fā)生，即便發(fā)生破口事故，熔鹽在環(huán)境溫度下也 會(huì)迅速凝固，能夠防止事故進(jìn)一步擴(kuò)展。其次，熔鹽堆可有效利用核資源和防止核擴(kuò)散。由于釷基 熔鹽堆所使用的釷無法用于核武器制造，因而推廣釷基熔鹽 堆能大幅降低核擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。必須指出的是，中國的鈾礦儲(chǔ) 備

7、雖然并不出眾， 但在釷的儲(chǔ)量上居于世界前列。 也就是說， 一旦釷基熔鹽堆投入商業(yè)運(yùn)營，中國基本不必為核燃料來源 擔(dān)憂。再次，熔鹽堆的熱功率密度和發(fā)電效率高。熔鹽堆的堆芯 結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，因而可以設(shè)計(jì)成具有較高功率輸出的小型反 應(yīng)堆。同時(shí)熔鹽堆可以采用布雷頓循環(huán)，發(fā)電效率高達(dá) 45% 50% 。加上熔鹽堆具有運(yùn)行無需控制棒、 不停堆換料、 壽命長(zhǎng)、功率易調(diào)等特點(diǎn)，使其可以用于核動(dòng)力潛艇和水面 艦艇上。最后，熔鹽堆具有多樣化的功能。熔鹽堆不僅能夠發(fā)電， 還可產(chǎn)生高溫工藝熱，服務(wù)于工業(yè)制造。此外，熔鹽堆還具 有供熱、煤氣化、甲烷重整、制氫等功能。還需要攻克哪些技術(shù)難關(guān)液態(tài)釷基燃料熔鹽堆具有良好的經(jīng)濟(jì)性

8、、安全性、可持續(xù) 性和防核擴(kuò)散性，其商業(yè)化在當(dāng)前技術(shù)基礎(chǔ)條件下也具有極 高的可行性。不過，針對(duì)堆運(yùn)行溫度高、熔鹽腐蝕性強(qiáng)和后處理技術(shù)不 成熟的特點(diǎn)，還有不少需要克服的技術(shù)難題。首先，燃料鹽的流動(dòng)特性使得熔鹽堆技術(shù)成為完全不同于 其他固體燃料反應(yīng)堆的一種全新核反應(yīng)堆技術(shù)，尚無成熟的 反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和安全分析方法以及安全評(píng)估規(guī)范可供借鑒。其次，燃料鹽連續(xù)在線后處理技術(shù)的可行性需要進(jìn)行進(jìn)一 步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。再次，熔鹽堆中流體燃料直接接觸石墨，因此熔鹽堆對(duì)于 核純級(jí)石墨密封工藝和制造工藝要求較高。最后，燃料鹽直接接觸管壁，管壁受到的中子通量較高， 因此制作管壁的材料需要有較高的耐中子輻照性能。 .誠然，要將藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)還要解決很多問題。我們由衷祝 愿中國的科研人員能夠披荊斬棘，建成熔鹽堆。如果中國能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，不僅可實(shí)現(xiàn)核燃料多元化， 確保我國