钍熔盐堆发电供热项目介绍

                 贺军会    贺少鹏     王军委

陕西宝防建设工程有限公司      陕西宝鸡     721303

摘要：对钍熔盐堆发电供热项目简单介绍、对国内外技术现状做了对比，国内技术目前发展状况，未来应用前景分析。

关键词：钍；熔盐堆；中子倍增技术；前景应用

Introduction of thorium molten salt reactor power generation and heating project

                 He Junhui     He Shaopeng    Wang Junwei

Shaanxi Baofang Construction Engineering Co., LTD.,     Shaanxi Baoji   721303,

Abstract: This paper briefly introduces the thorium molten salt reactor power generation and heating project, compares the current situation of domestic and foreign technology, analyzes the current development status of domestic technology and the future application prospect

Keywords: Thorium. Molten salt reactor; Neutron excitation technology; Prospects for the application

0、引言

能源是人类社会赖以生存和发展的强劲动力，能源问题是人类.为关注的问题之一，有研究表明，目前世界上的石油可用40年，天然气使用70年，煤能够使用100年，因此开发新能源已是人类迫切和重要的任务。长期以来，核电站主要采用的是以铀-235为核燃料的压水堆核电装置。尽管科学家、工程师采取了种种防护措施，一旦发生反应堆事故，往往会对周边居民和环境造成十分严重的影响。作为清洁能源的核能发展，因此一直充满了争议。不过，随着科技的发展，更安全、更清洁的核燃料钍逐渐发展起来。同时，反应堆的冷却剂也由水变成了复合型氟化盐--这意味着核电站不再需要消耗大量的水资源，核电站也不再只能建在滨海地区。这种新一代核能反应堆就是钍基熔盐堆发电。钍反应堆好处就是安全性也是铀无法比拟的，其核废料仅为铀的万分之一，并且可以在100年内衰退为没有放射性的物质¹。当熔盐堆内熔盐温度超过预定值时,设在底部的冷冻塞将自动熔化,携带核燃料的熔盐随即全部流入应急储存罐,使核反应终止，此外,熔盐堆工作在常压下,操作简单安全。熔盐堆还可建在地面10米以下,有利于防御恐怖破坏和战争袭击。由于冷却剂是氟化盐(同时携带燃料),冷却后就变成了固态盐,这使得核燃料既不容易泄露,也不会与地下水发生作用而造成生态灾害。

1、目的和意义

21 世纪初，能源危机、环境挑战、核武技术扩散等问题，使钍基核能与熔盐堆的研发在世界范围内获得新生。创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念指明了我国能源与环境可持续发展的方向。有研究预测，在大力发展可再生能源的同时，全球的核能总量将增加 2-4 倍，我国由于本底较低，增幅将远远大于这个预期。具有更好的经济性、安全性、可持续性、防核扩散性的第四代先进核能系统，将会为未来核能发展提供技术支撑²。

钍基熔盐堆发电系统（Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System, TMSR）是第四代先进核能系统 6个候选之一，包括钍基核燃料、熔盐堆、核能综合利用 3个子系统。钍基核燃料储量丰富、防扩散性能好、产生核废料更少，是解决长期能源供应的一种技术方案。钍熔盐堆使用高温熔盐作为冷却剂，具有高温、低压、高化学稳定性、高热容等热物特性，无需使用沉重而昂贵的压力容器，适合建成紧凑、轻量化和低成本的小型模块化反应堆；钍熔盐堆采用无水冷却技术，只需少量的水即可运行，可在干旱地区实现高效发电。钍熔盐堆输出的700 °以上高温核热可用于发电，也可用于工业热应用、高温制氢以及氢吸收二氧化碳制甲醇等，可以有力缓解碳排放和环境污染问题。

钍熔盐堆的优异性能主要来自其复合熔盐冷却剂的高沸点等物理化学特点，熔盐还可以用在太阳能集热、大规模热能存储和大功率电池等，熔盐的广泛使用将给能源带来革命性变化。钍熔盐反应堆利用的关键技术是熔盐制备与纯化技术、结构材料制备加工技术、腐蚀控制技术、熔盐回路关键仪器设备设计与制造技术;相关技术还包括环境友好型轻同位素分离技术、基于复合氟化盐热扩散的材料表面改性技术、高温熔盐回路先进测量与控制技术、熔盐堆堆芯设备设计制造技术、先进热能转换与利用技术、高温电解制氢技术、熔盐堆乏燃料干法分离与处理技术、核纯钍制备技术、熔盐堆燃料制备技术、环境中微量放射性气体检测与控制技术等。这些产业在中国几乎是空白，TMSR 先导专项将给钍基熔盐堆全产业链奠定科技基础.TMSR 团队已着手与政府、资本和市场等社会要素结合，将先导专项执行中掌握的上述实验室技术进行产业化，推动钍熔盐堆发电全产业链的发展。

2、技术现状

2011 年，中科院围绕国家能源安全与可持续发展需求，部署启动了首批中科院战略性先导科技专项（A类）“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统（TMSR）”，计划用 20 年左右的时间，在国际上首先实现钍基熔盐堆的应用，同时建立钍基熔盐堆产业链和相应的科技队伍。专项依托中科院上海应用物理所，上海有机所、上海高研院、长春应化所、金属所等 10 家院内外科研单位参与。我国对钍反应堆技术研究起步于2011年，虽然起步晚，国家资金支持投入力度大，这几年进步很大，发展势头非常快，特别是近五年在钍反应堆技术研究取得重大突破，TMSR 先导专项着眼关键材料与设备制造、设计及工程建设全部自主化，实现原型系统与关键技术的系统突破，为建设实验堆奠定了坚实的科学技术基础³。与中国核动力院、上海核工院等联合开展实验堆工程设计。在国家核安全局的指导下，与上海核工院合作开展了实验堆园区选址的前期技术工作，与国家核电技术有限公司签订合作协议共同推进 TMSR 实验堆基地选址工作。目前中科院物理研究院上海应用物理研究所在甘肃武威正在建设一个小型钍反应堆装置(10mw)，建设周期较长，经济成本较高。2020年2月上海应用物理研究所在上海松江正式验收了该堆型技术，我国以钍为燃料反应堆研究已经取了一定的的研究成果。我国已在实验室规模全面掌握这一全新领域的核心技术，相关产业链雏形基本形成，预计将于2030年后在全球率先实现商业应用。

钍熔盐堆研发始于 20 世纪 40 年代末的美国，橡树岭国家实验室于 1965 年建成液态燃料熔盐实验堆（MSRE），这是迄今世界上..建成并运行的液态燃料反应堆，也是..成功实现钍基核燃料（铀-233） 运行的反应堆。但由于“冷战”的考虑，侧重民用的熔盐堆计划下马，美国熔盐堆研发中止.20 世纪 70 代初，我国也曾选择钍基熔盐堆作为发展民用核能的起步点，上海“728 工程”于 1971 年建成了零功率冷态熔盐堆并达到临界。欧美、俄罗斯和印度等国家都进行了深入的研究，俄罗斯新西伯利亚大学和托木斯科理工大学的钍熔盐反应堆基础理论和技术研究居于行业..地位，属于第四代钍反应堆技术。2005年，俄罗斯在西伯利亚建成容量高达10 MW的钍反应原型堆，该反应堆位于地下，发电供热部分建在地上，大大降低了建造小型核电站的成本和安全性。使用钍反应堆是..安全的，因为它没有连锁反应机制，从而完全避免了反应堆不受控制的“加速”和爆炸，不会释放大量的辐射到环境中⁴。熔盐堆被“第四代核反应堆国际论坛”选为 6 个候选堆型之一，相关研究在国际上呈现急剧上升趋势。近期，美国能源部制定了新的核能发展战略，重新定义四代堆为“非水堆”（不用水冷却的反应堆），计划 2030 年至少有一种四代堆达到技术成熟并开始应用；同时改革传统反应堆研发方式，鼓励企业参与先进堆的研发，已有近 10 家美国企业选择小型模块熔盐堆作为研发对象。中国经济的快速发展对安全电能和热能需求很大。非洲国家和其他国家的需求也很大。国内外市场应用前景广阔，经济效益和社会效益是显著的。

3、技术创新

熔盐反应堆简称熔盐堆，是GIF选定的6种先进反应堆中..的液体反应堆，.早的研究始于20世纪50年代，利用熔盐作为冷却剂。熔盐的固有安全性、高温低压运行、简单的燃料后处理以及适合钍燃料等特点，都是其他堆型所不具备的，其优异的系统性能正越来越多地受到工业界的青睐。近年来，熔盐堆的研究再度加速，传统熔盐堆和超高温气冷堆都被视作可能的设计方案，并纳入第四代堆初步研究框架下。

熔盐堆的核燃料溶于主冷却剂中形成熔融态的混合燃料盐，从而无需制造燃料棒，简化了反应堆结构，使燃耗均匀化，在固有安全性、经济性、核资源可待续发展及防核扩散等方面具有其他反应堆无法比拟的优点，特别是它的闭式燃料循环和突出的核废料嬗变和焚化特性，是所有反应堆中可持续发展等级.高的。在许多设计方案中，核燃料溶于熔融的氟盐冷却剂中，形成如四氟化铀（UF₄）等化合物。堆芯用石墨做慢化剂，液态熔盐在其中达到临界。液体燃料反应堆设计有着与固体燃料反应堆明显不同的安全重点；主反应堆事故可能性减少，操作事故可能性增加⁵。

钍熔盐堆发电被称为“第四代核反应堆国际论坛”选为 6 个候选堆型之一，相关研究在国际上呈现急剧上升趋势。2011 年，中科院围绕国家能源安全与可持续发展需求，部署启动了首批中科院战略性先导科技专项（A类）“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统（TMSR）”，计划用 20 年左右的时间，在国际上首先实现钍基熔盐堆的应用，同时建立钍基熔盐堆产业链和相应的科技队伍。专项依托中科院上海应用物理所，上海有机所、上海高研院、长春应化所、金属所等 10 家院内外科研单位参与，现有的核反应堆由支撑反应堆接近临界状态的各种机械设备控制⁶。这种情况决定了核反应堆的潜在危险，并在其设计和运行中生成许多困难。 产生大中子通量的一种更安全的方法是使用亚临界，不受控制的组件，并使用外部独立的原始中子源。 “关于中子辐照射产生放射性核素的可能性”； 据全俄会议记录，“俄罗斯同位素生产和使用已有50年”于1998年10月20日至22日，在奥布宁斯克）。使用通常类型的亚临界组件，这些流量可以再增加10–20倍（Dementyev BA，“核反应堆的动力学和调节”，用于1976年莫斯科原子弹），并达到1015–1016 n / sec。 但是，对于许多研究和能源目的而言，这显然是不够的。例如，为了使混合电核反应堆在将离子束能量转换为中子通量时考虑到所有不可避免的损失，从而达到节能效率，有必要实现至少为1000的中子倍增系数，而对于常规的，不受控制的亚临界系统而言，这是不可能的。但是，有可能基于通过特殊组织的非均质介质的中子的其他原理，来创建具有大倍增系数的安全亚临界组件。任务是创建一个具有大倍增系数的亚临界多级中子倍增器，倍增系数可以达到1000或更大，这对于构造核聚变反应堆和其他需要大中子通量的装置是必需的。 由于快离子与轻元素核相互作用中的中子产生反应，原先的中子通量应从现有的加速器和回旋加速器中获得⁷。

我公司..引进俄罗斯新西伯利亚大学钍反应堆成套..技术，本..技术是创建一个具有大倍增系数的亚临界多级中子倍增器，倍增系数可以达到1000倍甚至更大，这对于构造核聚变反应堆和其它需要大中子通量的装置是必须的，由于快中子与氢元素核相互作用产生的中子反应，原先的中子通量应从现有的加速器和回旋加速器中获得。同时，反应堆的冷却剂也由水变成了复合型氟化盐--这意味着核电站不再需要消耗大量的水资源，核电站也不再只能建在滨海地区该..技术具国际..地位⁸。我公司计划近期成立中俄合资核能研究所，以学习掌握成套技术，并给予以消化和吸收，邀请国内核..暨陕西省核协会..对钍熔盐反应堆技术先进性、安全性、环保性、效能收益等进行论证，通过省发改委上报国家核安全局，进行政策指导及研究批准意见，可否进行3-10WM的小型实验钍反应堆的建设（发电和供热项目），以满足我国经济快速发展对电能热能快速增长的市场需求。

4、结束

我国钍元储量30万吨，居世界第二位，原材料来源方便可靠。当燃烧1克钍释放的能量为1兆瓦/每天。容量10 MW的钍反应堆运行每天需要10克钍。 钍反应堆.少工作十年； 365天x 10年x10克= 36500克 或36.5公斤钍。 经过详细测算⁹，容量10 MW的钍反应堆发电整个项目回报周期大约为2.5-3年，因此，该项目效益是十分可观的。

包头钢铁公司白云鄂博氧化稀土厂十年前做过纯钍的浮选分离工作，储量十分庞大，是作为钍基熔盐反应堆替代铀燃料的.佳选择。据原包头市稀土研究院院长马鹏起测算,白云鄂博矿区的钍矿资源可支撑中国能源需求5000年。如果对白云鄂博大量废弃的的钍原料进行提纯分离，变废为宝，综合效益非常显著¹⁰。中国经济的快速发展对安全电能和热能需求很大,国内外市场应用前景广阔。

参考文献

1.      徐洪杰，我国钍基熔盐堆计划〔C〕，2013年物理大会，2013.

2.      谢仲生，吴宏春，张少弘.核反应物理分析﹝M﹞.西安：西安交通大学出版社，2000.

3.      林灿生.浅谈核燃料后处理〔J〕.中国核工业.2006(10):45-46

4.      吴宗鑫，张作义.先进核能系统和高温气冷堆〔M〕.北京：清华大学出版社，2004

5.      叶成.先进压水堆核电厂非能动安全能力延伸研究〔D〕.上海：上海交通大学，2013

6.      于平安，朱瑞安，喻真烷.核反应堆热工分析〔M〕.西安：西安交通大学出版社，1979

7.      谢仲生，吴宏春，张少泓.核反应堆物理分析〔M〕.西安：西安交通大学出版社，2005

8.      俞冀阳，贾宝山.反应堆热工水力学〔M〕.北京：清华大学出版社，2003

9.      张大林.新概念熔盐堆堆芯物理热工冀安全特性研究〔D〕. 西安：西安交通大学，2009

10.     秋穗正，张大林，王成龙.熔盐堆〔D〕. 西安：西安交通大学，2019