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火种团校丨跨越五十年的对话:钍基熔盐堆在中国

所属分类:行业动态    发布时间: 2022-11-28    作者:admin
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主讲人介绍

陈金根研究员

主要从事钍基熔盐堆及核技术应用等研究工作,主持多项...先进核能科研项目。研究领域:反应堆物理、核燃料循环、中子源研制、核数据测量评价检验、放射性同位素生产等.

讲座概况

20211123日,我系火种团校有幸邀请到了中科院应用物理研究所陈金根研究员在线上为同学们介绍钍基熔盐堆在我国的前世今生。通过这次团课,培养同学们对于核事业的热爱、感受我国核工人自上世纪以来为了国防与能源安全而进行的不懈努力。


内容回顾

钍基熔盐堆背景

双减背景下,我国火力发电占比的降低已成定局,而光伏、风电等发电方式由于出力不稳,不适合作为电网基荷。而核电由于其燃料成本低、清洁、能量密度高、出力稳定等优势,被认为是火电的理想替代。目前国内外主流观点均认为未来三十年会是我国核能的重要发展机遇。


目前,世界上主流核电站的发电方式如下图所示:反应堆中的铀燃料棒产生裂变反应放热,加热一回路中高压冷却水;随后一回路冷却水通过热交换器与二回路水交换热量,产生高温高压蒸汽推动蒸汽轮机运转进行发电。


从以上原理中可以看出,核电站与火电站的不同主要在一回路——核电站采用核反应堆替代了火电站中的锅炉。因此核反应堆才是核电站的灵魂所在。

目前,世界上采用.多的反应堆为压水堆。压水堆的特点是采用轻水作为冷却剂与慢化剂,约5%富集度的铀作为燃料。为了提高轻水的工作温度且避免其沸腾,反应堆内的压力较高,通常为一百几十个大气压。

这种反应堆的优势是结构较为简单,运行稳定,作为冷却剂与慢化剂的轻水获取容易,总体运行参数(温度、压力)不算非常高。

然而,它也存在着问题。首先,要承受高温高压的压力容器要在整个反应堆服役期间(数十年)保持其结构完整性与密封性,这对于材料与工艺都是极大的挑战。其次,由于压水堆需要大量水作为冷却剂与慢化剂,只适合建在沿海、沿江地区而不适合建在内陆地区,这意味着我国中西部的广大地区并不适合建造压水堆核电站。.后,我国的铀矿石资源较少,难以支持该类核电站的大规模运行。国际社会也在纷纷寻求下一代更先进、清洁、高效的第四代反应堆。

目前,四代堆共有六种候选堆型:超高温堆、超临界水堆、气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆与熔盐堆

其中,熔盐堆由于具有失效安全、无水冷却、常压运行和高温输出等性能等原因,正成为国际先进下一代反应堆的研发热点。

钍基熔盐堆.初于1946年由美国科学家首先提出,采用高温熔盐作为燃料与冷却剂,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,甚至可以放在飞机上。


钍基熔盐堆特色和优势

熔盐堆采用无水冷却技术,只需少量的水即可运行,适合建设在我国干旱的中西部地区。熔盐堆输出的高温核热既可用于发电,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。


钍基熔盐堆的燃料仅需我国较为富裕的钍资源,而无需大量铀资源。Th-232可在反应堆内经过一系列吸收中子衰变等过程(钍-铀循环)转化为易裂变核素U-233


-铀循环示意图

钍基燃料应用于熔盐堆,可实现在线换料,减少停堆时间,提高发电效率;也可以在线去放废。若随着技术进步,未来的钍基熔盐堆能使用快中子进行反应的话,可实现对I-125等长寿期高放射性废物的高效率嬗变,.终甚至可能实现放射性废物零排放!

钍基熔盐堆十分安全。由于熔盐堆具有大的负温度反应系数、负空泡系数、剩余反应性低、停堆简单等特点,熔盐堆拥有无需外加干预的固有安全机制。此外,由于堆芯采用液态燃料与高熔沸点的熔盐冷却剂,因此可以从根本上避免福岛事故中的氢气与蒸汽爆炸,也不会存在堆芯熔毁的风险。由于反应堆常压运行,不仅可以减小对压力容器的要求,破口事故与管道高压爆炸的后果也会降低许多。

尽管钍基熔盐堆有着以上诸多优势,但也存在着诸多问题与重大技术瓶颈。例如现有材料无法满足长期极端环境下安全服役,相关实验数据也难以获取;燃料盐的后处理仍存在重大挑战与不确定性等。

钍基熔盐堆在中国

不过,令人吃惊的是,这样的新鲜玩意其实并不是..次出现在中国。

早在半世纪前的1972年,我国科学家便考虑在国内建设钍基熔盐堆。

197028日,周恩来总理便亲自指出需要在上海周边建设核电站:上海的工业产值占全国的六分之一,但你们既没有石油,也没有煤炭,从长远看,要解决能源问题还要靠你们自己。国外都在搞核电站,你们回去研究一下,写个报告上来,我支持你们!并批示:二机部不能光是爆炸部,要和平利用核能,搞核电站。

不久,上海方面正式向国务院上报了关于筹建核电站的报告。拟定了成立核电站建设工程领导小组,准备以大会战的形式建设此项工程。工程对外统一称“728”工程,取意周总理批示之日,也正是在这一年,中国核电发展正式起步。 

开始,“728”工程的科学家与工程人员们也曾选择钍基熔盐堆这一当时世界上.先进的堆型作为发展民用核能的起步点,并于1971年建成了零功率冷态熔盐堆并达到临界。但限于当时的科技、工业和经济水平,728工程转为建设轻水压水堆,也就是后来的秦山一期。


如今随着技术的进步,全世界包括中国在内的众多国家和地区均在进行钍基熔盐堆的研发与攻关。

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。

如今,我国已建成国际上.先进和.完备的钍基熔盐堆冷态研究基地和体系。全面突破和掌握了相关核心技术,具备了基于我国工业基础独立完成钍基熔盐堆关键材料、仪器、设备和装置的设计和制造能力。很快,本世纪首座2兆瓦熔盐堆实验堆也将于甘肃建成。下一步,就是10兆瓦示范堆。根据World Nuclear Association的评估,我国已连续多年在全世界范围内走在这一领域的.前沿。

在被问及如果有一位半世纪前的核工业前辈穿越到现在,您.想展示给他怎样的一件成果这个问题时,陈金根老师答道:我.想展示给他们的是我们所攻克的材料难关。70年代钍基熔盐堆刚立项时,别说辐照损伤与长时服役了,只是让当时的材料来容纳熔盐都遇到了严重的腐蚀问题。而今,通过我们的努力,攻克了多项材料工艺难关,终于能够将他们的梦想变为现实。这是我能够非常自豪地展示给他们的一项成果


在积极的探讨过后,本次团课圆满结束。整个讲座过程中,陈金根老师结合国际时事,妙语横生、语言生动,让同学们了解了钍基熔盐堆的前世今生、感受到我国科技发展的伟大成就。

 20211123日,国家十三五科技创新成就展顺利举办,重点展示了我国在基础前沿、战略高技术和民生科技等领域取得的一批重大成果。

全社会研发经费支出从1995年的348.69亿元增长到2020年的2.44万亿元,研发人员全时当量从1995年的75.17万人年增长到2020年的509.19万人年……一组组数据,展现了我国科技事业取得的历史性成就、发生的历史性变革。

新中国的科技事业几乎从零起步。从新中国成立初期吹响向科学进军的号角,到改革开放提出科学技术是..生产力的论断;从党的十八大后全面实施创新驱动发展战略,到推进创新型国家建设,我国科技实力伴随经济发展同步壮大,踏上了从科技大国迈向世界科技强国的新征程。

如今,世界正面临百年未有之大变局,风华正茂的我们,将是完成第二个百年目标的中坚力量;作为复旦核专业学子,我们的事业更是天然与国计民生紧密相连——杨福家老校长寄语核专业学子:点燃心中火种,坚守报国成才初心。

习近平总书记寄语青年

广大青年要肩负历史使命,坚定前进信心,立大志、明大德、成大才、担大任,努力成为堪当民族复兴重任的时代新人,让青春在为祖国、为民族、为人民、为人类的不懈奋斗中绽放绚丽之花。


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