釷熔鹽堆發(fā)電供熱項目介紹

                 賀軍會(huì )    賀少鵬     王軍委

陜西寶防建設工程有限公司      陜西寶雞     721303

摘要：對釷熔鹽堆發(fā)電供熱項目簡(jiǎn)單介紹、對國內外技術(shù)現狀做了對比，國內技術(shù)目前發(fā)展狀況，未來(lái)應用前景分析。

關(guān)鍵詞：釷；熔鹽堆；中子倍增技術(shù)；前景應用

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

能源是人類(lèi)社會(huì )賴(lài)以生存和發(fā)展的強勁動(dòng)力，能源問(wèn)題是人類(lèi).為關(guān)注的問(wèn)題之一，有研究表明，目前世界上的石油可用40年，天然氣使用70年，煤能夠使用100年，因此開(kāi)發(fā)新能源已是人類(lèi)迫切和重要的任務(wù)。長(cháng)期以來(lái)，核電站主要采用的是以鈾-235為核燃料的壓水堆核電裝置。盡管科學(xué)家、工程師采取了種種防護措施，一旦發(fā)生反應堆事故，往往會(huì )對周邊居民和環(huán)境造成十分嚴重的影響。作為清潔能源的核能發(fā)展，因此一直充滿(mǎn)了爭議。不過(guò)，隨著(zhù)科技的發(fā)展，更安全、更清潔的核燃料釷逐漸發(fā)展起來(lái)。同時(shí)，反應堆的冷卻劑也由水變成了復合型氟化鹽--這意味著(zhù)核電站不再需要消耗大量的水資源，核電站也不再只能建在濱海地區。這種新一代核能反應堆就是釷基熔鹽堆發(fā)電。釷反應堆好處就是安全性也是鈾無(wú)法比擬的，其核廢料僅為鈾的萬(wàn)分之一，并且可以在100年內衰退為沒(méi)有放射性的物質(zhì)¹。當熔鹽堆內熔鹽溫度超過(guò)預定值時(shí),設在底部的冷凍塞將自動(dòng)熔化,攜帶核燃料的熔鹽隨即全部流入應急儲存罐,使核反應終止，此外,熔鹽堆工作在常壓下,操作簡(jiǎn)單安全。熔鹽堆還可建在地面10米以下,有利于防御恐怖破壞和戰爭襲擊。由于冷卻劑是氟化鹽(同時(shí)攜帶燃料),冷卻后就變成了固態(tài)鹽,這使得核燃料既不容易泄露,也不會(huì )與地下水發(fā)生作用而造成生態(tài)災害。

1、目的和意義

21 世紀初，能源危機、環(huán)境挑戰、核武技術(shù)擴散等問(wèn)題，使釷基核能與熔鹽堆的研發(fā)在世界范圍內獲得新生。創(chuàng )新、協(xié)調、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念指明了我國能源與環(huán)境可持續發(fā)展的方向。有研究預測，在大力發(fā)展可再生能源的同時(shí)，全球的核能總量將增加 2-4 倍，我國由于本底較低，增幅將遠遠大于這個(gè)預期。具有更好的經(jīng)濟性、安全性、可持續性、防核擴散性的第四代先進(jìn)核能系統，將會(huì )為未來(lái)核能發(fā)展提供技術(shù)支撐²。

釷基熔鹽堆發(fā)電系統（Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System, TMSR）是第四代先進(jìn)核能系統 6個(gè)候選之一，包括釷基核燃料、熔鹽堆、核能綜合利用 3個(gè)子系統。釷基核燃料儲量豐富、防擴散性能好、產(chǎn)生核廢料更少，是解決長(cháng)期能源供應的一種技術(shù)方案。釷熔鹽堆使用高溫熔鹽作為冷卻劑，具有高溫、低壓、高化學(xué)穩定性、高熱容等熱物特性，無(wú)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；釷熔鹽堆采用無(wú)水冷卻技術(shù)，只需少量的水即可運行，可在干旱地區實(shí)現高效發(fā)電。釷熔鹽堆輸出的700 °以上高溫核熱可用于發(fā)電，也可用于工業(yè)熱應用、高溫制氫以及氫吸收二氧化碳制甲醇等，可以有力緩解碳排放和環(huán)境污染問(wèn)題。

釷熔鹽堆的優(yōu)異性能主要來(lái)自其復合熔鹽冷卻劑的高沸點(diǎn)等物理化學(xué)特點(diǎn)，熔鹽還可以用在太陽(yáng)能集熱、大規模熱能存儲和大功率電池等，熔鹽的廣泛使用將給能源帶來(lái)革命性變化。釷熔鹽反應堆利用的關(guān)鍵技術(shù)是熔鹽制備與純化技術(shù)、結構材料制備加工技術(shù)、腐蝕控制技術(shù)、熔鹽回路關(guān)鍵儀器設備設計與制造技術(shù);相關(guān)技術(shù)還包括環(huán)境友好型輕同位素分離技術(shù)、基于復合氟化鹽熱擴散的材料表面改性技術(shù)、高溫熔鹽回路先進(jìn)測量與控制技術(shù)、熔鹽堆堆芯設備設計制造技術(shù)、先進(jìn)熱能轉換與利用技術(shù)、高溫電解制氫技術(shù)、熔鹽堆乏燃料干法分離與處理技術(shù)、核純釷制備技術(shù)、熔鹽堆燃料制備技術(shù)、環(huán)境中微量放射性氣體檢測與控制技術(shù)等。這些產(chǎn)業(yè)在中國幾乎是空白，TMSR 先導專(zhuān)項將給釷基熔鹽堆全產(chǎn)業(yè)鏈奠定科技基礎.TMSR 團隊已著(zhù)手與政府、資本和市場(chǎng)等社會(huì )要素結合，將先導專(zhuān)項執行中掌握的上述實(shí)驗室技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)釷熔鹽堆發(fā)電全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

2、技術(shù)現狀

2011 年，中科院圍繞國家能源安全與可持續發(fā)展需求，部署啟動(dòng)了首批中科院戰略性先導科技專(zhuān)項（A類(lèi)）“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）”，計劃用 20 年左右的時(shí)間，在國際上首先實(shí)現釷基熔鹽堆的應用，同時(shí)建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應的科技隊伍。專(zhuān)項依托中科院上海應用物理所，上海有機所、上海高研院、長(cháng)春應化所、金屬所等 10 家院內外科研單位參與。我國對釷反應堆技術(shù)研究起步于2011年，雖然起步晚，國家資金支持投入力度大，這幾年進(jìn)步很大，發(fā)展勢頭非?？?，特別是近五年在釷反應堆技術(shù)研究取得重大突破，TMSR 先導專(zhuān)項著(zhù)眼關(guān)鍵材料與設備制造、設計及工程建設全部自主化，實(shí)現原型系統與關(guān)鍵技術(shù)的系統突破，為建設實(shí)驗堆奠定了堅實(shí)的科學(xué)技術(shù)基礎³。與中國核動(dòng)力院、上海核工院等聯(lián)合開(kāi)展實(shí)驗堆工程設計。在國家核安全局的指導下，與上海核工院合作開(kāi)展了實(shí)驗堆園區選址的前期技術(shù)工作，與國家核電技術(shù)有限公司簽訂合作協(xié)議共同推進(jìn) TMSR 實(shí)驗堆基地選址工作。目前中科院物理研究院上海應用物理研究所在甘肅武威正在建設一個(gè)小型釷反應堆裝置(10mw)，建設周期較長(cháng)，經(jīng)濟成本較高。2020年2月上海應用物理研究所在上海松江正式驗收了該堆型技術(shù)，我國以釷為燃料反應堆研究已經(jīng)取了一定的的研究成果。我國已在實(shí)驗室規模全面掌握這一全新領(lǐng)域的核心技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈雛形基本形成，預計將于2030年后在全球率先實(shí)現商業(yè)應用。

釷熔鹽堆研發(fā)始于 20 世紀 40 年代末的美國，橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室于 1965 年建成液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗堆（MSRE），這是迄今世界上..建成并運行的液態(tài)燃料反應堆，也是..成功實(shí)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(fā)中止.20 世紀 70 代初，我國也曾選擇釷基熔鹽堆作為發(fā)展民用核能的起步點(diǎn)，上海“728 工程”于 1971 年建成了零功率冷態(tài)熔鹽堆并達到臨界。歐美、俄羅斯和印度等國家都進(jìn)行了深入的研究，俄羅斯新西伯利亞大學(xué)和托木斯科理工大學(xué)的釷熔鹽反應堆基礎理論和技術(shù)研究居于行業(yè)..地位，屬于第四代釷反應堆技術(shù)。2005年，俄羅斯在西伯利亞建成容量高達10 MW的釷反應原型堆，該反應堆位于地下，發(fā)電供熱部分建在地上，大大降低了建造小型核電站的成本和安全性。使用釷反應堆是..安全的，因為它沒(méi)有連鎖反應機制，從而完全避免了反應堆不受控制的“加速”和爆炸，不會(huì )釋放大量的輻射到環(huán)境中⁴。熔鹽堆被“第四代核反應堆國際論壇”選為 6 個(gè)候選堆型之一，相關(guān)研究在國際上呈現急劇上升趨勢。近期，美國能源部制定了新的核能發(fā)展戰略，重新定義四代堆為“非水堆”（不用水冷卻的反應堆），計劃 2030 年至少有一種四代堆達到技術(shù)成熟并開(kāi)始應用；同時(shí)改革傳統反應堆研發(fā)方式，鼓勵企業(yè)參與先進(jìn)堆的研發(fā)，已有近 10 家美國企業(yè)選擇小型模塊熔鹽堆作為研發(fā)對象。中國經(jīng)濟的快速發(fā)展對安全電能和熱能需求很大。非洲國家和其他國家的需求也很大。國內外市場(chǎng)應用前景廣闊，經(jīng)濟效益和社會(huì )效益是顯著(zhù)的。

3、技術(shù)創(chuàng )新

熔鹽反應堆簡(jiǎn)稱(chēng)熔鹽堆，是GIF選定的6種先進(jìn)反應堆中..的液體反應堆，.早的研究始于20世紀50年代，利用熔鹽作為冷卻劑。熔鹽的固有安全性、高溫低壓運行、簡(jiǎn)單的燃料后處理以及適合釷燃料等特點(diǎn)，都是其他堆型所不具備的，其優(yōu)異的系統性能正越來(lái)越多地受到工業(yè)界的青睞。近年來(lái)，熔鹽堆的研究再度加速，傳統熔鹽堆和超高溫氣冷堆都被視作可能的設計方案，并納入第四代堆初步研究框架下。

熔鹽堆的核燃料溶于主冷卻劑中形成熔融態(tài)的混合燃料鹽，從而無(wú)需制造燃料棒，簡(jiǎn)化了反應堆結構，使燃耗均勻化，在固有安全性、經(jīng)濟性、核資源可待續發(fā)展及防核擴散等方面具有其他反應堆無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，特別是它的閉式燃料循環(huán)和突出的核廢料嬗變和焚化特性，是所有反應堆中可持續發(fā)展等級.高的。在許多設計方案中，核燃料溶于熔融的氟鹽冷卻劑中，形成如四氟化鈾（UF₄）等化合物。堆芯用石墨做慢化劑，液態(tài)熔鹽在其中達到臨界。液體燃料反應堆設計有著(zhù)與固體燃料反應堆明顯不同的安全重點(diǎn)；主反應堆事故可能性減少，操作事故可能性增加⁵。

釷熔鹽堆發(fā)電被稱(chēng)為“第四代核反應堆國際論壇”選為 6 個(gè)候選堆型之一，相關(guān)研究在國際上呈現急劇上升趨勢。2011 年，中科院圍繞國家能源安全與可持續發(fā)展需求，部署啟動(dòng)了首批中科院戰略性先導科技專(zhuān)項（A類(lèi)）“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）”，計劃用 20 年左右的時(shí)間，在國際上首先實(shí)現釷基熔鹽堆的應用，同時(shí)建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應的科技隊伍。專(zhuān)項依托中科院上海應用物理所，上海有機所、上海高研院、長(cháng)春應化所、金屬所等 10 家院內外科研單位參與，現有的核反應堆由支撐反應堆接近臨界狀態(tài)的各種機械設備控制⁶。這種情況決定了核反應堆的潛在危險，并在其設計和運行中生成許多困難。 產(chǎn)生大中子通量的一種更安全的方法是使用亞臨界，不受控制的組件，并使用外部獨立的原始中子源。 “關(guān)于中子輻照射產(chǎn)生放射性核素的可能性”； 據全俄會(huì )議記錄，“俄羅斯同位素生產(chǎn)和使用已有50年”于1998年10月20日至22日，在奧布寧斯克）。使用通常類(lèi)型的亞臨界組件，這些流量可以再增加10–20倍（Dementyev BA，“核反應堆的動(dòng)力學(xué)和調節”，用于1976年莫斯科原子彈），并達到1015–1016 n / sec。 但是，對于許多研究和能源目的而言，這顯然是不夠的。例如，為了使混合電核反應堆在將離子束能量轉換為中子通量時(shí)考慮到所有不可避免的損失，從而達到節能效率，有必要實(shí)現至少為1000的中子倍增系數，而對于常規的，不受控制的亞臨界系統而言，這是不可能的。但是，有可能基于通過(guò)特殊組織的非均質(zhì)介質(zhì)的中子的其他原理，來(lái)創(chuàng )建具有大倍增系數的安全亞臨界組件。任務(wù)是創(chuàng )建一個(gè)具有大倍增系數的亞臨界多級中子倍增器，倍增系數可以達到1000或更大，這對于構造核聚變反應堆和其他需要大中子通量的裝置是必需的。 由于快離子與輕元素核相互作用中的中子產(chǎn)生反應，原先的中子通量應從現有的加速器和回旋加速器中獲得⁷。

我公司..引進(jìn)俄羅斯新西伯利亞大學(xué)釷反應堆成套..技術(shù)，本..技術(shù)是創(chuàng )建一個(gè)具有大倍增系數的亞臨界多級中子倍增器，倍增系數可以達到1000倍甚至更大，這對于構造核聚變反應堆和其它需要大中子通量的裝置是必須的，由于快中子與氫元素核相互作用產(chǎn)生的中子反應，原先的中子通量應從現有的加速器和回旋加速器中獲得。同時(shí)，反應堆的冷卻劑也由水變成了復合型氟化鹽--這意味著(zhù)核電站不再需要消耗大量的水資源，核電站也不再只能建在濱海地區該..技術(shù)具國際..地位⁸。我公司計劃近期成立中俄合資核能研究所，以學(xué)習掌握成套技術(shù)，并給予以消化和吸收，邀請國內核..暨陜西省核協(xié)會(huì )..對釷熔鹽反應堆技術(shù)先進(jìn)性、安全性、環(huán)保性、效能收益等進(jìn)行論證，通過(guò)省發(fā)改委上報國家核安全局，進(jìn)行政策指導及研究批準意見(jiàn)，可否進(jìn)行3-10WM的小型實(shí)驗釷反應堆的建設（發(fā)電和供熱項目），以滿(mǎn)足我國經(jīng)濟快速發(fā)展對電能熱能快速增長(cháng)的市場(chǎng)需求。

4、結束

我國釷元儲量30萬(wàn)噸，居世界第二位，原材料來(lái)源方便可靠。當燃燒1克釷釋放的能量為1兆瓦/每天。容量10 MW的釷反應堆運行每天需要10克釷。 釷反應堆.少工作十年； 365天x 10年x10克= 36500克 或36.5公斤釷。 經(jīng)過(guò)詳細測算⁹，容量10 MW的釷反應堆發(fā)電整個(gè)項目回報周期大約為2.5-3年，因此，該項目效益是十分可觀(guān)的。

包頭鋼鐵公司白云鄂博氧化稀土廠(chǎng)十年前做過(guò)純釷的浮選分離工作，儲量十分龐大，是作為釷基熔鹽反應堆替代鈾燃料的.佳選擇。據原包頭市稀土研究院院長(cháng)馬鵬起測算,白云鄂博礦區的釷礦資源可支撐中國能源需求5000年。如果對白云鄂博大量廢棄的的釷原料進(jìn)行提純分離，變廢為寶，綜合效益非常顯著(zhù)¹⁰。中國經(jīng)濟的快速發(fā)展對安全電能和熱能需求很大,國內外市場(chǎng)應用前景廣闊。

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