熔鹽堆技術(shù)很好,不應(yīng)再被束

1、熔鹽堆技術(shù)很好，不應(yīng)再被“束之高閣”加大衛(wèi)萊布蘭克May 2010一個被擱置40年的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，聽起來并不像很有潛力的技術(shù)。但熔鹽堆(MSR )確實(shí) 能兌現(xiàn)核電從前曾承諾的提供廉價、無限能源的諾言。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員正在熔鹽堆實(shí)驗(yàn)裝置的石墨堆芯上工作事后看來，核動力飛機(jī)的想法似乎有些瘋狂。但1940 - 1950年代美國空軍將領(lǐng)們卻認(rèn) 為它是應(yīng)對冷戰(zhàn)困境的答案：攜帶原子彈的飛機(jī)不得不每隔幾小時停下來加油，怎能有24 小時全天侯的核威懾力量？由于擔(dān)心蘇聯(lián)轟炸機(jī)偷襲會摧毀美國的反擊能力，因而提出了首 次核打擊的概念。空軍將領(lǐng)們相信，核動力轟炸機(jī)將是終極威懾力量。這種飛機(jī)可以持續(xù)停留在空中，就

2、 能在北極上空盤旋等待攻擊命令。轟炸機(jī)上乘務(wù)人員的生活大致像核潛艇上的人員，隨時待 命。NB-36圣騎士核動力轟炸機(jī)試飛，在轟炸艙后載帶著3000千瓦的水冷堆(環(huán)乘務(wù)艙的屏 蔽重12噸)。機(jī)上的反應(yīng)堆沒有與發(fā)動機(jī)相連一飛機(jī)是用常規(guī)燃料作動力的一反應(yīng)堆放在那 里只是為了檢驗(yàn)如何運(yùn)行飛行中的反應(yīng)堆。1950年代，NB-36安排了許多次載帶運(yùn)行核反應(yīng)堆的飛行，乘務(wù)人員在鉛屏蔽駕駛艙內(nèi)顯而易見，反應(yīng)堆越小、越簡單越好。就像美國海軍核潛艇艦隊(duì)選定壓水堆，空軍的研 究計(jì)劃發(fā)展了自己的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)一一種很優(yōu)雅的技術(shù)。這種技術(shù)可以成為一個完全不同的核 動力工業(yè)的基礎(chǔ)。然而，核飛機(jī)計(jì)劃取消了。隨著洲際彈道導(dǎo)彈的出

3、現(xiàn)，核飛機(jī)的論據(jù)遭淘汰。除了兩個 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆在40年前被封存外，飛行反應(yīng)堆研究期間所發(fā)明的優(yōu)雅解決方案也從未被充分 試驗(yàn)。實(shí)在可惜，因?yàn)殚_發(fā)的這種理念一熔鹽堆一有許多超過常規(guī)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的明顯優(yōu)勢。熔 鹽堆運(yùn)行壓力低，不需要現(xiàn)今反應(yīng)堆常見的大型壓力容器。它可以使用不同的燃料甚至能 焚燒其它反應(yīng)堆產(chǎn)生的超鈾元素廢物。更有魅力的是，熔鹽堆能設(shè)計(jì)成自己增殖燃料而無需 場外處理。隨著核電興趣的回暖一即所謂的核復(fù)興一現(xiàn)在是提問的好時機(jī)：我們是否需要翻版建造 更多的舊反應(yīng)堆設(shè)計(jì)？熔鹽堆看上去大概像個古怪的技術(shù)，在陌生的旅途中一直默默無聞， 但如給個公正的聽證，熔鹽堆的機(jī)會就會“指日可待”。熔鹽堆（有時稱液態(tài)

4、氟化物反應(yīng)堆）沒有燃料芯塊。取而代之的是，易裂變和可增殖材 料熔在液體介質(zhì)內(nèi)。這種液體可以是鈾、釷或钚的各種氟化物的一種，與某種載體鹽如 27LiF-BeF2（又稱氟鋰鈹- flibe ）結(jié)合，構(gòu)成低熔點(diǎn)共晶熔體。這種混合物在熔點(diǎn)（約460。頃 以上成為非常穩(wěn)定的液體，可在簡單的堆芯（通常包括石墨慢化劑）和外部熱交換器間連續(xù) 流動。熱能經(jīng)主回路放射性熔鹽傳給中間回路清潔熔鹽，后者再傳給蒸汽或氣體循環(huán)。這種設(shè)計(jì)有多重優(yōu)勢。首先，氟化物熔鹽是極好的冷卻劑，體積熱容量比加壓水高25%， 幾乎是液態(tài)鈉的5倍。更大的熱容量使主回路設(shè)備如泵和熱交換器等變得更緊湊（小型）熔鹽堆在近大氣壓下運(yùn)行，所以不需要輕

5、水堆的厚壁壓力容器。因?yàn)榉磻?yīng)堆內(nèi)流體沒有 水或鈉，安全殼內(nèi)蒸汽爆炸或產(chǎn)生氫氣的概率為零。實(shí)際上，熔鹽堆可設(shè)計(jì)成沒有石墨慢化 劑，因此可以沒有可燃物質(zhì)。研究人員設(shè)計(jì)的核動力轟炸機(jī)用熔鹽堆，反應(yīng)堆的熱能取代噴氣發(fā)動機(jī)內(nèi)的燃料燃燒熔鹽堆的設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的負(fù)溫度和空泡系數(shù)，立竿見影，增加了安全性并允許自動負(fù)荷跟 蹤運(yùn)行。此外，燃料的流體本性意味著熔化是一個不相干的術(shù)語。緊急情況下，燃料鹽自動 排入非能動冷卻、臨界安全的燃料儲罐內(nèi)。熔鹽溫度超出正常就會熔化一個冷凍鹽塞，像拔 出浴缸的塞子那樣簡單。熔鹽堆中的易裂變材料濃度很容易連續(xù)調(diào)整。這種調(diào)整可以消除過多的反應(yīng)性，而且無 需固體燃料反應(yīng)堆內(nèi)常見的可燃毒物。

6、此外，許多裂變產(chǎn)物很快形成穩(wěn)定的氟化物，在任何泄漏或事故期間會停留在鹽內(nèi)。其 它揮發(fā)性或不能熔解的裂變產(chǎn)物可非能動、連續(xù)地排出。在大多數(shù)固體燃料反應(yīng)堆中氙幾乎 代表所有裂變產(chǎn)物中子吸收的一半，而在熔鹽堆中氙氣恰恰會從燃料鹽內(nèi)冒出并可儲存在反 應(yīng)堆回路外部。熔鹽堆實(shí)驗(yàn)裝置。雖然MSRE設(shè)計(jì)根本不同于以前建造的任何反應(yīng)堆，橡樹嶺 國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員仍能無故障地運(yùn)行這個8MWt的反應(yīng)堆將近五年。某些裂變產(chǎn)物必須保持隔離幾百年，但無需尤卡山那種類型的維持?jǐn)?shù)千年的處置場。輕 水堆乏燃料的钚和其它超鈾元素是實(shí)質(zhì)問題。而熔鹽堆產(chǎn)生這些物質(zhì)的速率很低而且將其再 循環(huán)，因此熔鹽堆廢物的長壽命放射毒性是輕水堆的

7、1/10000。熔鹽堆設(shè)計(jì)有多種，基本可劃分為兩大類。增殖堆啟動后生產(chǎn)自己的易裂變材料。增殖 堆的一種典型方案是用可增殖的釷啟動，釷俘獲中子后衰變?yōu)橐琢炎兊拟?233。這個循環(huán)可 以形成為一個較軟中子譜的增殖堆，其中子通?？渴?；常見的使鈾轉(zhuǎn)換為钚的增殖循 環(huán)要求更硬或更快的中子譜。熔鹽堆并不必一定是增殖堆或限于釷循環(huán)。由于不需要燃料后處理，熔鹽堆可以作為簡 單的轉(zhuǎn)換堆運(yùn)行，甚至以一次通過式循環(huán)方式都能獲得極好的鈾利用率。轉(zhuǎn)換堆要求每年添 加易裂變材料，即使使用低濃鈾也可運(yùn)行得極好。熔鹽轉(zhuǎn)換堆和熔鹽增殖堆各有優(yōu)勢，兩者 的主要的差別是是否在運(yùn)行期間主動地從鹽中清除裂變產(chǎn)物。MSRE的散熱器

8、在排出熔鹽冷卻劑的熱能橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室主任阿爾文 溫伯格標(biāo)注MSRE滿功率運(yùn)行第6000小時設(shè)計(jì)優(yōu)化的另一方面是流過反應(yīng)堆的流體。例如，某些熔鹽增殖堆設(shè)計(jì)要求含易裂變鈾 -233和可增殖釷的單一液流。這種配置使堆芯設(shè)計(jì)最簡單，但清除裂變產(chǎn)物變得很困難， 因?yàn)殁Q與稀土裂變產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)幾乎相同。繞過裂變產(chǎn)物處理難題的一種辦法是使可增殖的釷與易裂變的鈾分開。這樣，有兩種基 本液體：流經(jīng)反應(yīng)堆堆芯的燃料鹽和含釷的再生鹽。因?yàn)殁Q俘獲中子生成鈾-233,可以定期 地從再生鹽中清除鈾轉(zhuǎn)到燃料鹽中。從再生鹽清除鈾相對很簡單：只是用氟氣使鹽鼓泡就能 把四氟化鈾鹽轉(zhuǎn)化為氣態(tài)六氟化鈾。六氟化鈾能再轉(zhuǎn)化為鹽并成為添

9、加燃料。這種雙液流設(shè) 計(jì)還有其他的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是反應(yīng)堆堆芯布置復(fù)雜。還有一種混合熔鹽堆設(shè)計(jì)，綽號“一個半液流”，即含鈾和釷的燃料鹽被再生鹽環(huán)繞， 再生鹽俘獲堆芯泄漏的中子。所有三種運(yùn)行模式各有優(yōu)點(diǎn)，世界各地都在繼續(xù)研究。不幸的美國空軍飛機(jī)反應(yīng)堆計(jì)劃開發(fā)了廣博的學(xué)科基礎(chǔ)并建成了一個成功的試驗(yàn)堆。在 愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室建造并試驗(yàn)了飛機(jī)反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)裝置(Aircraft Reactor Experiment -ARE )o ARE是個高溫反應(yīng)堆，峰值溫度860P，采用NaF-ZrF4載體鹽，高濃鈾-235燃料。包覆氧化 鈹砌塊提供慢化功能。第一個試驗(yàn)堆成功后，阿爾文溫伯格領(lǐng)導(dǎo)下的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室研究人員著

10、手研究熔 鹽動力堆。研究經(jīng)歷了三個時期。1950年代中期集中在簡單的“一個半液流”燃料和再生 鹽嵌套箱型設(shè)計(jì)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)石墨與熔鹽非常相容后，橡樹嶺研究人員即著手開發(fā)雙液流設(shè)計(jì)， 其特征是錯綜復(fù)雜的管路使兩種鹽既在堆芯內(nèi)交錯而又相互隔離。1950年代中期橡樹嶺研究人員開發(fā)雙液流設(shè)計(jì)，以管路錯綜復(fù)雜為特征。(譯者補(bǔ)入)I960年代初期，橡樹嶺還設(shè)計(jì)并建造了 8MWt的熔鹽堆實(shí)驗(yàn)裝置(Molten Salt Reactor Experiment - MSRE)。為設(shè)計(jì)簡單，MSRE采用無釷的單液流設(shè)計(jì)，只有一個簡單的帶有流 道的石墨箱體。運(yùn)行溫度為650P,這樣鎳合金的管道和熱交換器能長期運(yùn)行。在19

11、65 - 1969 年間它非常成功地運(yùn)行了將近5年。MSRE證明它可以順利地進(jìn)行維護(hù)和檢修，而且正如所 預(yù)計(jì)的那樣，反應(yīng)堆控制非常穩(wěn)定。與此同時，橡樹嶺繼續(xù)集中研究雙液流設(shè)計(jì)動力堆，但研究證實(shí)石墨流道布置是個艱巨 的挑戰(zhàn)（運(yùn)行中石墨先收縮后腫脹）。1968年他們放棄了雙液流設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向更簡單、但燃 料后處理更難的單液流堆芯。多年來，這種設(shè)計(jì)成了新標(biāo)準(zhǔn)。然而，1973年原子能委員會（美國能源部的前身）做出了有爭議的決定，削減熔鹽堆 開發(fā)基金。官方的主要論據(jù)是MSRE運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)腐蝕，盡管橡樹嶺已近乎完全解決這個問 題了。取消這個有希望的系統(tǒng)的其他理論還有許多。一個理論是政治：橡樹嶺是唯一研究熔鹽

12、堆的實(shí)驗(yàn)室，而有著更多預(yù)算的多個國家實(shí)驗(yàn)室，在研究開發(fā)與熔鹽堆相競爭的技術(shù)鈉冷快 增殖堆。另一個理論與個人相關(guān)一橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室主任阿爾文溫伯格因公開提出壓水堆的安 全性問題而受到了原子能委員會的譴責(zé)。最后，很大程度是推測性的，熔鹽堆被扼殺是因?yàn)?它不能生產(chǎn)钚，在當(dāng)時钚是軍用所需的。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的有限的研究一直持續(xù)到1980年前后，當(dāng)時更側(cè)重于最大化防擴(kuò)散 能力。這些研究發(fā)現(xiàn)，相同基礎(chǔ)的單液流設(shè)計(jì)，可作為簡單的轉(zhuǎn)換堆，使用低濃鈾和釷，非 常出色地運(yùn)轉(zhuǎn)。不管過去如何成功，資金一旦被削減，在美國幾乎不可能、在其它地方也很 難得到甚至不多的研究資金，因?yàn)檫@個系統(tǒng)已被視為被美國投資方拋棄了。幾十年前的

13、概念幾乎靠口耳相傳地存活下來，近期對熔鹽堆的興趣回暖了。法國、俄羅 斯和捷克現(xiàn)在有實(shí)質(zhì)性的計(jì)劃，其它許多國家還有一些小規(guī)模的研究。俄羅斯的研究工作集 中在焚燒超鈾元素廢物的簡單設(shè)計(jì)，在這方面熔鹽堆有巨大的優(yōu)勢。捷克的研究很廣泛，化 學(xué)計(jì)劃是強(qiáng)項(xiàng)，尤其是對輕水堆固體乏燃料氟化物揮發(fā)處理的開發(fā)研究。法國最大的新研究活動是開發(fā)釷熔鹽堆。法國的設(shè)計(jì)演變?yōu)闊o石墨的釷和鈾-233鹽堆 芯，徑向環(huán)繞著釷再生鹽，軸向是反射層。其特征是增殖比極好，但缺點(diǎn)是易裂變材料裝載 量大和反射層和再生區(qū)材料難題。或許對熔鹽堆概念的最大的推動來自2002年開始的第四代反應(yīng)堆規(guī)劃，在這個規(guī)劃中 熔鹽堆成為六種被推薦技術(shù)之一。突

14、然間，這個幾乎被遺忘的技術(shù)成了熱門研究課題。熔鹽堆前進(jìn)道路上的許多障礙已在被著手解決。例如，燃料鹽和再生鹽相互交錯的通道 敷設(shè)“噩夢”曾使橡樹嶺在1968年放棄了有希望的雙液流設(shè)計(jì)。而我為該挑戰(zhàn)貢獻(xiàn)了一個 意外簡單的解決方案。解決方案提出的新結(jié)構(gòu)是個管內(nèi)管：大的再生層套道包圍長而狹窄的 堆芯。于是，1960年代橡樹嶺設(shè)計(jì)所遇到的幾百個障礙減少到只有一個。盡管可以說，這種辦法比其它熔鹽增殖堆設(shè)計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn)，但很可能，如果開始建造新 的熔鹽堆，至少其第一代將是所需研究和開發(fā)最少的簡單的單液流轉(zhuǎn)換堆。這種反應(yīng)堆可以 橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室1970年代后期開發(fā)的DMSR概念為基礎(chǔ)?！癉”代表“改性”一反應(yīng)堆內(nèi)鈾

15、含 太多鈾-238，不能用作核武器。這個概念不需要清除裂變產(chǎn)物的鹽處理；在整個30年的反 應(yīng)堆壽期中使用同樣的鹽，每年只添加少量低濃鈾，保持易裂變材料恒定。所需鈾燃料總量一每GWe年約35公噸一只有壓水堆用量的1/6。這意味著鈾價格即使上漲甚至到比2007年 峰值$300/kg還高一個數(shù)量級，DMSR的燃料成本依然不到1美分/kWh。啟動新堆所需易裂變材料總量也很重要，尤其對快速擴(kuò)大堆群。1GWe的DMSR設(shè)計(jì)需要 3.5公噸鈾-235（以容易獲得的低濃鈾形態(tài)），如果鈾價攀升還可降低。相比之下，一個新 的壓水堆約需5公噸，而鈉冷快增殖堆如PRISM設(shè)計(jì)，要求高達(dá)18噸鈾-235或乏燃料的钚。

16、液體氟化物反應(yīng)堆同樣可用钚啟動，不過這是個昂貴的選擇，因?yàn)榉θ剂咸崛☆械某杀炯s為 $100000/kg。TD AiR!-碩MB RADIATORS&ALT PUMPlvl熔鹽增殖堆。從未建造更先進(jìn)的設(shè)計(jì)，MSBR能增殖自身燃料。因?yàn)镸SBR是簡 單、低壓設(shè)計(jì)，許多設(shè)備會比競爭的其它反應(yīng)堆技術(shù)的更小、更便宜。不同反應(yīng)堆技術(shù)的熱交換單元相對尺寸比較。相對熔鹽增殖堆的其它概念，DMSR的特征是尺寸較大、較低功率密度的石墨堆芯。而只 要石墨能支持整整30年，DMSR的尺寸將只是同樣規(guī)模的氣冷石墨堆的幾分之一，而且不需 要壓力容器。實(shí)際上，DMSR的簡單、薄壁安全殼會比壓水堆和沸水堆的安全殼較寬但更短。

17、 反應(yīng)堆密閉廠房的結(jié)構(gòu)提供了節(jié)省，因?yàn)椴⒉恍枰p水堆或坎杜堆那樣的巨大容積和承受蒸 汽壓力積聚的能力。電廠的綜合熱效率會非常高。以出口鹽溫700G并采用最新的超-超臨界蒸汽循環(huán)或布 萊頓氣體循環(huán)，效率有可能接近50%。雖然沒有熔鹽堆的最新成本估算值，但綜合優(yōu)勢潛力顯而易見。DMSR無需燃料后處理的 基建、運(yùn)行和維修成本，而作為冷卻劑的鹽的優(yōu)秀特性使熱交換器和泵很小。土建和安裝成 本會比常規(guī)核電廠低，因?yàn)槿埯}堆系統(tǒng)的應(yīng)力比常規(guī)核電廠低的多。因此，假設(shè)簡單的DMSR轉(zhuǎn)換堆設(shè)計(jì)比現(xiàn)代輕水堆基建成本低25-50%，并非不合理。相 對于快增殖堆如一體化快堆，DMSR甚至應(yīng)該更好?？煸鲋扯押苌僭噲D宣稱基建

18、成本低。與任何反應(yīng)堆一樣，滿足監(jiān)管部門的關(guān)注與成本有關(guān)。考慮到熔鹽堆完全不同的運(yùn)行原 理，以及熔鹽堆很難適應(yīng)現(xiàn)有的為固體燃料反應(yīng)堆制定的監(jiān)管條例，熔鹽堆很可能為此而受 到磨難。然而，這種反應(yīng)堆堅(jiān)實(shí)、固有并淺顯易懂的安全性表明，如果監(jiān)管部門給予理性的 審評，他們實(shí)際上可以證明頒發(fā)許可相對更簡單。接受一種新型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)是個大事?；蛟S可以諒解營利的公用事業(yè)公司希望繼續(xù)使用不 那么完美但已證明成熟的設(shè)計(jì)。的確，有待克服的障礙是實(shí)際存在的，但并不必然是技術(shù)的。 例如，核工業(yè)傳統(tǒng)供應(yīng)商都有與其固體燃料設(shè)計(jì)相聯(lián)的利益，包括贏利的燃料制造合同。而 在美國，至少政府基金資助同樣無益?；蛟S航天工業(yè)目前正在進(jìn)行的復(fù)興能提供前進(jìn)的路線圖。奧巴馬政府最近決定依靠私營 公司提供發(fā)射服務(wù)，表明對敏感而眾多企業(yè)家的信任超過早在半個世紀(jì)以前首先發(fā)展起來的 那些大而動作遲緩的機(jī)構(gòu)。核工業(yè)內(nèi)這種企業(yè)精神氣息正在變得明顯起來。一個例子是行波堆。這是個與大型微軟 公司有聯(lián)系的泰拉能源有限公司開發(fā)的新型鈉冷快堆。泰拉能源雇用了國內(nèi)許多頭等核工程 師，設(shè)