分析 | 釷基熔鹽堆引領核能進入新紀元？

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

11月7日，中國科學院甘肅省人民政府簽署《中國科學院、甘肅省人民政府釷基熔鹽堆核能系統項目戰略合作框架協議》。杜基熔鹽堆是什么堆？釷基熔鹽堆核能系統（ThoriumMoltenSaltReactorNuclearEnergySystem，TMSR

11月7日，中國科學院甘肅省人民政府簽署《中國科學院、甘肅省人民政府釷基熔鹽堆核能系統項目戰略合作框架協議》。

杜基熔鹽堆是什么堆？

釷基熔鹽堆核能系統（ThoriumMoltenSaltReactorNuclearEnergySystem，TMSR），是第四代先進核能系統的6種候選之一，包括釷基核燃料、熔鹽堆、核能綜合利用3個子系統，具有高固有安全性、核廢料少、防擴散性能和經濟性更好等特點。

其中，熔鹽堆使用高溫熔鹽作為冷卻劑，具有高溫、低壓、高化學穩定性、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堆。此外熔鹽堆采用無水冷卻技術，只需少量的水即可運行，可在干旱地區實現高效發電。熔鹽堆輸出的高溫核熱可用于發電，也可用于工業熱應用、高溫制氫以及氫吸收二氧化碳制甲醇等。

一個低調的存在

熔鹽堆研發始于20世紀40年代末的美國，橡樹嶺國家實驗室于1965年建成液態燃料熔鹽實驗堆（MSRE），這是迄今世界上唯一建成并運行的液態燃料反應堆，也是唯一成功實現釷基核燃料（鈾-233）運行的反應堆。但由于“冷戰”的考慮，側重民用的熔鹽堆計劃下馬，美國熔鹽堆研發中止。

20世紀70代初，中國也曾選擇釷基熔鹽堆作為發展民用核能的起步點，上海“728工程”于1971年建成了零功率冷態熔鹽堆并達到臨界。但限于當時的科技、工業和經濟水平，“728工程”轉為建設輕水反應堆。

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發展需求，部署啟動了首批中科院戰略性先導科技專項（A類）“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）”，計劃用20年左右的時間，在國際上首先實現釷基熔鹽堆的應用，同時建立釷基熔鹽堆產業鏈和相應的科技隊伍。

據世界核新聞網2017年9月6日的報道，荷蘭核研究及顧問公司（NuclearResearchandConsultancyGroup，NRG）實驗將產生關于安全運行熔鹽堆（MSR）的新數據。

似乎，這一切表明：中斷了40年的熔鹽堆終于走出低谷，迎來了發展的春天。

因站隊錯誤被叫停的堆型

核能能始終讓一部分人覺得恐慌。一是傳統的鈾基熱核反應堆中超過95%的燃料將變成核廢料，而因為含有超鈾元素，其放射毒性周期將長達數萬年，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，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。

福島核事故現場

針對以上兩點，熔鹽堆在安全性方面的優勢無須比較也能顯現：

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，將有著質的下降。

熔鹽既是燃料又是冷卻劑：具有天然的負反饋功能。當反應堆溫度過高時，進一步的鏈式反應能夠停止。

熔鹽堆無需加壓:由于本身液態，沒有堆芯熔毀的風險。

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，熔鹽堆好像全是優點，那為什么一直沒有推廣建設？

對熔鹽堆的集中研究最初源于美國飛行器反應堆實驗（USAircraftReactorExperiment，ARE）。1946年，美國空軍主導ARE的項目，希望研究出核動力轟炸機。但最終，洲際導彈的迅速發展讓核動力轟炸機失去了軍事價值。1961年核動力飛行器項目終止，熔鹽堆也失去了軍方這個強有力的靠山。

于是乎，熔鹽堆抱上了民用爸爸的大腿。1965年，橡樹嶺實驗室在以ARE為基礎，建成了釷基熔鹽實驗堆（MSR），這并運行了5年。

好景不長，受“冷戰”影響，美國原子能委員會（AEC）在熔鹽堆進入了成熟發展期的70年代初突然削減熔鹽堆的研發經費，性能好、設計巧、偏民用因而站隊不正確的熔鹽堆就這樣斷了口糧。

1976年，熔鹽堆計劃被尼克松政府叫停。后來，除了在印度卡帕坎建設過一個測試用的反應爐，熔鹽堆的相關研究逐漸沉寂。

更具優勢的釷燃料

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，地球上具有商業價值的易裂變元素有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行增殖后，才能進行裂變。

相較于鈾來說，釷具有很多優勢。

儲量優勢：地球上已探明的釷資源的儲量是鈾的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，現有的釷資源至少可以支持全球一千年的用電量。

后處理優勢：釷鈾燃料循環產生的钚和長壽命次錒系核素要少得多。

本身特性優勢：釷及其氧化物具有耐輻射、耐高溫、導熱系數高等特性，這樣反應堆就能在更高溫度下運行，獲得較深的燃耗，即產生更少的核廢料。

釷不適用于制造核武器：是理想的民用核燃料，有助于防止核擴散。當然，也是這一點導致了它的“政治不正確”。

說了這么多，看起來好像真的太過優秀。難道釷就沒有什么缺點嗎？當然還是有的。比如：

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

終于迎來的轉機

21世紀初，美國能源部牽頭發起第四代反應堆國際論壇（GenerationIVInternationalForum，GIF），對反應堆提出了更高的經濟性、安全性、核廢料最小化和防擴散性要求，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）。第四代反應堆系統不僅包括反應堆技術的研究，對核燃料的前處理和后處理也同樣重視，其目標是在2030年開發出一種或若干種革新性核能系統。

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

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，故而可實現在線加料以及在線后處理，便于監控和管理。另外由于熔鹽的比熱容較加壓水高，可以使反應堆回路設計得更緊湊。

綜合上述原因，很多科研團隊又重新鎖定釷基熔鹽堆：

反應本身：釷基熔鹽堆可以形成閉式燃料循環：釷-232可以增殖為鈾-233為反應堆補充燃料，裂變產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：不銹鋼在熔融狀態的的氟化鈾與氟化釷中是穩定的，具有很好的相容性。這兩種氟化鹽在熔融狀態下具有很低的蒸汽壓力，傳熱學性和化學穩定性很好，反應堆結構所受的機械應力較小。

歷史積累優勢：熔鹽堆在40年前就成功運行了5年，積累了很多經驗。

原理優勢：釷基熔鹽堆的實現難度和技術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劃。

因為新世紀，防核擴散成為民用核能發展的主要制約問題，釷基熔鹽堆不能用于生產钚成為了和平開發利用核能的優勢。

目前，美國橡樹嶺國家實驗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液態燃料釷基熔鹽示范堆。

半個世紀的橡樹嶺之夢逐漸重鑄。

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