釷熔鹽堆發(fā)電供熱項(xiàng)目介紹

                 賀軍會(huì)    賀少鵬     王軍委

陜西寶防建設(shè)工程有限公司      陜西寶雞     721303

摘要：對(duì)釷熔鹽堆發(fā)電供熱項(xiàng)目簡(jiǎn)單介紹、對(duì)國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀做了對(duì)比，國(guó)內(nèi)技術(shù)目前發(fā)展?fàn)顩r，未來(lái)應(yīng)用前景分析。

關(guān)鍵詞：釷；熔鹽堆；中子倍增技術(shù)；前景應(yīng)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(qiáng)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(zhǎng)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(hù)措施，一旦發(fā)生反應(yīng)堆事故，往往會(huì)對(duì)周邊居民和環(huán)境造成十分嚴(yán)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(zhēng)議。不過(guò)，隨著科技的發(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(yīng)堆的冷卻劑也由水變成了復(fù)合型氟化鹽--這意味著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(qū)。這種新一代核能反應(yīng)堆就是釷基熔鹽堆發(fā)電。釷反應(yīng)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(nèi)衰退為沒(méi)有放射性的物質(zhì)¹。當(dāng)熔鹽堆內(nèi)熔鹽溫度超過(guò)預(yù)定值時(shí),設(shè)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(yīng)急儲(chǔ)存罐,使核反應(yīng)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(zhàn)爭(zhēng)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(zāi)害。

1、目的和意義

21 世紀(jì)初，能源危機(jī)、環(huán)境挑戰(zhàn)、核武技術(shù)擴(kuò)散等問(wèn)題，使釷基核能與熔鹽堆的研發(fā)在世界范圍內(nèi)獲得新生。創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念指明了我國(guó)能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的方向。有研究預(yù)測(cè)，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(guó)由于本底較低，增幅將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)預(yù)期。具有更好的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可持續(xù)性、防核擴(kuò)散性的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)，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(tǒng)（Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System, TMSR）是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng) 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(tǒng)。釷基核燃料儲(chǔ)量豐富、防擴(kuò)散性能好、產(chǎn)生核廢料更少，是解決長(zhǎng)期能源供應(yīng)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(wěn)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(yīng)堆；釷熔鹽堆采用無(wú)水冷卻技術(shù)，只需少量的水即可運(yùn)行，可在干旱地區(qū)實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(fù)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(guī)模熱能存儲(chǔ)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(yīng)堆利用的關(guān)鍵技術(shù)是熔鹽制備與純化技術(shù)、結(jié)構(gòu)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(shè)備設(shè)計(jì)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(fù)合氟化鹽熱擴(kuò)散的材料表面改性技術(shù)、高溫熔鹽回路先進(jìn)測(cè)量與控制技術(shù)、熔鹽堆堆芯設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)、先進(jìn)熱能轉(zhuǎn)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(cè)與控制技術(shù)等。這些產(chǎn)業(yè)在中國(guó)幾乎是空白，TMSR 先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)將給釷基熔鹽堆全產(chǎn)業(yè)鏈奠定科技基礎(chǔ).TMSR 團(tuán)隊(duì)已著手與政府、資本和市場(chǎng)等社會(huì)要素結(jié)合，將先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)執(zhí)行中掌握的上述實(shí)驗(yàn)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(xiàn)狀

2011 年，中科院圍繞國(guó)家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，部署啟動(dòng)了首批中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（A類(lèi)）“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”，計(jì)劃用 20 年左右的時(shí)間，在國(guó)際上首先實(shí)現(xiàn)釷基熔鹽堆的應(yīng)用，同時(shí)建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應(yīng)的科技隊(duì)伍。專(zhuān)項(xiàng)依托中科院上海應(yīng)用物理所，上海有機(jī)所、上海高研院、長(zhǎng)春應(yīng)化所、金屬所等 10 家院內(nèi)外科研單位參與。我國(guó)對(duì)釷反應(yīng)堆技術(shù)研究起步于2011年，雖然起步晚，國(guó)家資金支持投入力度大，這幾年進(jìn)步很大，發(fā)展勢(shì)頭非常快，特別是近五年在釷反應(yīng)堆技術(shù)研究取得重大突破，TMSR 先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)著眼關(guān)鍵材料與設(shè)備制造、設(shè)計(jì)及工程建設(shè)全部自主化，實(shí)現(xiàn)原型系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)突破，為建設(shè)實(shí)驗(yàn)堆奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)³。與中國(guó)核動(dòng)力院、上海核工院等聯(lián)合開(kāi)展實(shí)驗(yàn)堆工程設(shè)計(jì)。在國(guó)家核安全局的指導(dǎo)下，與上海核工院合作開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)堆園區(qū)選址的前期技術(shù)工作，與國(guó)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(yàn)堆基地選址工作。目前中科院物理研究院上海應(yīng)用物理研究所在甘肅武威正在建設(shè)一個(gè)小型釷反應(yīng)堆裝置(10mw)，建設(shè)周期較長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)成本較高。2020年2月上海應(yīng)用物理研究所在上海松江正式驗(yàn)收了該堆型技術(shù)，我國(guó)以釷為燃料反應(yīng)堆研究已經(jīng)取了一定的的研究成果。我國(guó)已在實(shí)驗(yàn)室規(guī)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(yù)計(jì)將于2030年后在全球率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

釷熔鹽堆研發(fā)始于 20 世紀(jì) 40 年代末的美國(guó)，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于 1965 年建成液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆（MSRE），這是迄今世界上..建成并運(yùn)行的液態(tài)燃料反應(yīng)堆，也是..成功實(shí)現(xiàn)釷基核燃料（鈾-233） 運(yùn)行的反應(yīng)堆。但由于“冷戰(zhàn)”的考慮，側(cè)重民用的熔鹽堆計(jì)劃下馬，美國(guó)熔鹽堆研發(fā)中止.20 世紀(jì) 70 代初，我國(guó)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(dá)到臨界。歐美、俄羅斯和印度等國(guó)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(yīng)堆基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究居于行業(yè)..地位，屬于第四代釷反應(yīng)堆技術(shù)。2005年，俄羅斯在西伯利亞建成容量高達(dá)10 MW的釷反應(yīng)原型堆，該反應(yīng)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(yīng)堆是..安全的，因?yàn)樗鼪](méi)有連鎖反應(yīng)機(jī)制，從而完全避免了反應(yīng)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(yīng)堆國(guó)際論壇”選為 6 個(gè)候選堆型之一，相關(guān)研究在國(guó)際上呈現(xiàn)急劇上升趨勢(shì)。近期，美國(guó)能源部制定了新的核能發(fā)展戰(zhàn)略，重新定義四代堆為“非水堆”（不用水冷卻的反應(yīng)堆），計(jì)劃 2030 年至少有一種四代堆達(dá)到技術(shù)成熟并開(kāi)始應(yīng)用；同時(shí)改革傳統(tǒng)反應(yīng)堆研發(fā)方式，鼓勵(lì)企業(yè)參與先進(jìn)堆的研發(fā)，已有近 10 家美國(guó)企業(yè)選擇小型模塊熔鹽堆作為研發(fā)對(duì)象。中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)安全電能和熱能需求很大。非洲國(guó)家和其他國(guó)家的需求也很大。國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是顯著的。

3、技術(shù)創(chuàng)新

熔鹽反應(yīng)堆簡(jiǎn)稱(chēng)熔鹽堆，是GIF選定的6種先進(jìn)反應(yīng)堆中..的液體反應(yīng)堆，.早的研究始于20世紀(jì)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(yùn)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(tǒng)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(tǒng)熔鹽堆和超高溫氣冷堆都被視作可能的設(shè)計(jì)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(yīng)堆結(jié)構(gòu)，使燃耗均勻化，在固有安全性、經(jīng)濟(jì)性、核資源可待續(xù)發(fā)展及防核擴(kuò)散等方面具有其他反應(yīng)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(yīng)堆中可持續(xù)發(fā)展等級(jí).高的。在許多設(shè)計(jì)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(dá)到臨界。液體燃料反應(yīng)堆設(shè)計(jì)有著與固體燃料反應(yīng)堆明顯不同的安全重點(diǎn)；主反應(yīng)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(yīng)堆國(guó)際論壇”選為 6 個(gè)候選堆型之一，相關(guān)研究在國(guó)際上呈現(xiàn)急劇上升趨勢(shì)。2011 年，中科院圍繞國(guó)家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，部署啟動(dòng)了首批中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（A類(lèi)）“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”，計(jì)劃用 20 年左右的時(shí)間，在國(guó)際上首先實(shí)現(xiàn)釷基熔鹽堆的應(yīng)用，同時(shí)建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應(yīng)的科技隊(duì)伍。專(zhuān)項(xiàng)依托中科院上海應(yīng)用物理所，上海有機(jī)所、上海高研院、長(zhǎng)春應(yīng)化所、金屬所等 10 家院內(nèi)外科研單位參與，現(xiàn)有的核反應(yīng)堆由支撐反應(yīng)堆接近臨界狀態(tài)的各種機(jī)械設(shè)備控制⁶。這種情況決定了核反應(yīng)堆的潛在危險(xiǎn)，并在其設(shè)計(jì)和運(yùn)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(dú)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(jù)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(yīng)堆的動(dòng)力學(xué)和調(diào)節(jié)”，用于1976年莫斯科原子彈），并達(dá)到1015–1016 n / sec。 但是，對(duì)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(yīng)堆在將離子束能量轉(zhuǎn)換為中子通量時(shí)考慮到所有不可避免的損失，從而達(dá)到節(jié)能效率，有必要實(shí)現(xiàn)至少為1000的中子倍增系數(shù)，而對(duì)于常規(guī)的，不受控制的亞臨界系統(tǒng)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(shù)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(shù)的亞臨界多級(jí)中子倍增器，倍增系數(shù)可以達(dá)到1000或更大，這對(duì)于構(gòu)造核聚變反應(yīng)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(yīng)，原先的中子通量應(yīng)從現(xiàn)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(yīng)堆成套..技術(shù)，本..技術(shù)是創(chuàng)建一個(gè)具有大倍增系數(shù)的亞臨界多級(jí)中子倍增器，倍增系數(shù)可以達(dá)到1000倍甚至更大，這對(duì)于構(gòu)造核聚變反應(yīng)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(yīng)，原先的中子通量應(yīng)從現(xiàn)有的加速器和回旋加速器中獲得。同時(shí)，反應(yīng)堆的冷卻劑也由水變成了復(fù)合型氟化鹽--這意味著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(qū)該..技術(shù)具國(guó)際..地位⁸。我公司計(jì)劃近期成立中俄合資核能研究所，以學(xué)習(xí)掌握成套技術(shù)，并給予以消化和吸收，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)核..暨陜西省核協(xié)會(huì)..對(duì)釷熔鹽反應(yīng)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(bào)國(guó)家核安全局，進(jìn)行政策指導(dǎo)及研究批準(zhǔn)意見(jiàn)，可否進(jìn)行3-10WM的小型實(shí)驗(yàn)釷反應(yīng)堆的建設(shè)（發(fā)電和供熱項(xiàng)目），以滿(mǎn)足我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)電能熱能快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

4、結(jié)束

我國(guó)釷元儲(chǔ)量30萬(wàn)噸，居世界第二位，原材料來(lái)源方便可靠。當(dāng)燃燒1克釷釋放的能量為1兆瓦/每天。容量10 MW的釷反應(yīng)堆運(yùn)行每天需要10克釷。 釷反應(yīng)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(xì)測(cè)算⁹，容量10 MW的釷反應(yīng)堆發(fā)電整個(gè)項(xiàng)目回報(bào)周期大約為2.5-3年，因此，該項(xiàng)目效益是十分可觀的。

包頭鋼鐵公司白云鄂博氧化稀土廠十年前做過(guò)純釷的浮選分離工作，儲(chǔ)量十分龐大，是作為釷基熔鹽反應(yīng)堆替代鈾燃料的.佳選擇。據(jù)原包頭市稀土研究院院長(zhǎng)馬鵬起測(cè)算,白云鄂博礦區(qū)的釷礦資源可支撐中國(guó)能源需求5000年。如果對(duì)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¹⁰。中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)安全電能和熱能需求很大,國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

1.      徐洪杰，我國(guó)釷基熔鹽堆計(jì)劃〔C〕，2013年物理大會(huì)，2013.

2.      謝仲生，吳宏春，張少弘.核反應(yīng)物理分析﹝M﹞.西安：西安交通大學(xué)出版社，2000.

3.      林燦生.淺談核燃料后處理〔J〕.中國(guó)核工業(yè).2006(10):45-46

4.      吳宗鑫，張作義.先進(jìn)核能系統(tǒng)和高溫氣冷堆〔M〕.北京：清華大學(xué)出版社，2004

5.      葉成.先進(jìn)壓水堆核電廠非能動(dòng)安全能力延伸研究〔D〕.上海：上海交通大學(xué)，2013

6.      于平安，朱瑞安，喻真烷.核反應(yīng)堆熱工分析〔M〕.西安：西安交通大學(xué)出版社，1979

7.      謝仲生，吳宏春，張少泓.核反應(yīng)堆物理分析〔M〕.西安：西安交通大學(xué)出版社，2005

8.      俞冀陽(yáng)，賈寶山.反應(yīng)堆熱工水力學(xué)〔M〕.北京：清華大學(xué)出版社，2003

9.      張大林.新概念熔鹽堆堆芯物理熱工冀安全特性研究〔D〕. 西安：西安交通大學(xué)，2009

10.     秋穗正，張大林，王成龍.熔鹽堆〔D〕. 西安：西安交通大學(xué)，2019