未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统(TMSR)

2021-12-23 10:12  来源:中国科学院院刊 2016    先进核裂变能  TMSR  核能综合利用  熔盐堆

钍基熔盐堆核能系统(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。


“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。

钍基熔盐堆核能系统(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。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;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。熔盐堆输出的700 oC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(图 1)。

图 1 基于TMSR的核能综合利用前景

1 背景和意义

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),这是迄今世界上唯一建成并运行的液态燃料反应堆,也是唯一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。但限于当时的科技、工业和经济水平,“728 工程”转为建设轻水反应堆。自此,世界范围内熔盐堆研发的国家行为几乎停止。

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。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。

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。

2 专项总体进展

TMSR 先导专项自启动实施以来,跨单位组建和发展了一支专业齐全、年富力强、规模约 750 人的我国钍基熔盐堆科研队伍,建成了覆盖 TMSR 各领域方向的基础研究实验室和研发试验平台构成的 TMSR 低放非核(冷)实验基地,形成了完整的学科布局,取得科技研发的突破性进展,整体达到国际先进水平,为 TMSR 研发奠定了坚实的科学技术基础。国际核网站(http://www.world-nuclear.org)评价“中国正引领国际熔盐堆研发”。

开展了紧扣专项目标、以美国为主要对象的国际合作.2011 年中科院与美国能源部签订了《核能科技合作谅解备忘录》(CAS-DOE NE MoU),在此框架下,TMSR 中心分别与美国橡树岭国家实验室、麻省理工学院签署合作研究熔盐堆相关技术的合作协议,联合我国相关单位与美方共同制定熔盐堆材料加工标准和技术准入标准;这些合作列入了第六-八轮中美战略与经济对话框架下战略对话具体成果清单.TMSR 中心成为国际四代堆论坛熔盐堆技术委员会观察员。

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。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。同时,在先导专项和上海市支持下,先期在上海嘉定区建设首座钍基熔盐仿真堆(不带燃料)。

3 主要技术创新

3.1 创新发展战略,优化技术路线

结合能源长期供应与温室气体减排的国家需求和国际熔盐堆研发的科技前沿,考虑到液态燃料熔盐堆和固态燃料熔盐堆(美国称氟盐冷却高温堆)共有的技术基础和不同的用途——液态燃料熔盐堆适合实现钍基核燃料高效利用,固态熔盐堆则是为核能制氢、二氧化碳减排量身打造并可部分使用钍基核燃料——确定了兼顾钍基核能、无水冷却、高温制氢等重大应用,同时开展液态燃料熔盐堆和固态燃料熔盐堆研发的 TMSR 发展战略,制定各自的发展路线图并动态调整。近期,进一步明确将小型模块钍基熔盐堆作为示范堆的堆型,继续采用固液并举的路线,示范堆预期研发周期为 10 年.TMSR 发展战略的制定和实施在国际上是一个创新,据此战略制定的 TMSR 研发计划和内容具有出众的系统性、完整性和关联性,TMSR 先导专项实施 5 年已步入国际熔盐堆研发的领先行列。

3.2 建立四个原型系统

(1) 钍铀燃料循环系统。提出创新的钍铀循环方案,核燃料利用率随着循环次数增加而不断增长,最终可实现完全闭式的钍铀燃料循环。采用先进的干法处理技术,筛选和确立了全新的后处理流程,实现了包括氟化挥发和减压蒸馏技术的在线处理工艺段冷态贯通。

(2) 熔盐实验堆设计系统。开发建立了满足熔盐实验堆中子物理、热工水力和结构力学等设计分析需要的软件体系。完成 2 MW 液态燃料熔盐实验堆深化概念设计、10 MW 固态燃料熔盐实验堆初步工程设计,解决了高温熔盐环境下主容器、堆内构件及其密封、支撑和隔热设计等多项关键技术,完成实验堆关键设备与仪表样机研制并开展了相关测试和实验验证。

(3) 系列高温熔盐回路系统。掌握了熔盐回路热工水力、结构力学设计方法和高温密封、测量与控制等关键技术,研制成功国内首台套氟盐体系泵、阀、计、换热器等样机。先后建成硝酸盐热工试验回路和工程规模的氟盐(FLiNaK)高温试验回路,进行了关键设备样机的性能测试和运行考验,获得了熔盐回路运行经验和重要热工水力数据。

(4) 钍基熔盐堆安全与许可系统。完成了熔盐堆非基岩上构筑物抗震设计标准和熔盐实验堆Ⅱ类堆安全分类论证,获得国家核安全局认可。作为联合主席成员单位参与国际固态燃料熔盐堆安全标准(ANSI/ANS-20.1) 的编制;编写了固态燃料熔盐实验堆安全设计准则。建成工程规模的非能动熔盐自然循环实验装置(图 2),首次验证了熔盐自然循环余热排出系统的固有安全性。

图 2 非能动熔盐自然循环实验装置

3.3 取得一批核心技术突破

(1) 高纯度氟盐制备与检测技术。掌握氟化物熔盐冷却剂和燃料盐的制备净化技术,自主研制了高纯氟化熔盐制备净化装置,制备成功核纯 FLiBe 熔盐、高纯FLiNaK 熔盐等,具备了年产吨级氟盐的生产能力。解决了高温熔盐关键参数测试难题,建成系统完善的熔盐物性与结构研究平台。

(2) 氟盐腐蚀控制技术。建成氟化物熔盐腐蚀评价平台,系统开展了氟化物熔盐腐蚀机制、堆用合金材料腐蚀评价与防护技术研究。通过熔盐纯化、合金成分优化及表面处理等技术,解决了氟盐冷却剂腐蚀控制难题(图 3)。

图 3 合金在熔盐中腐蚀评价未纯化熔盐中腐蚀评价

(3) 国产高温镍基合金制备与加工技术。掌握了高温镍基合金批量生产制造、加工与焊接工艺,实现耐腐蚀镍基合金国产化(国内编号 GH3535) ,常规性能评估显示与进口合金相当。突破高硬度合金加工与热处理工艺中的技术瓶颈,实现宽厚板材、大口径管材、大型环轧件的工业试制。

(4) 国产高致密细颗粒核石墨制备技术。研发成功首款熔盐堆专用的细颗粒核石墨 NG-CT-50,掌握了工业化生产技术,常规性能评估显示其满足熔盐堆需求,防熔盐浸渗性能优于进口核石墨。建立了国产核石墨常规性能数据库,直接推动了熔盐堆专用核石墨国际规范的建立。

(5) 同位素萃取离心分离技术。发展了绿色环保的溶剂萃取离心分离锂同位素技术,替代传统汞齐法,革除汞污染;完成实验室规模串级实验,获得满足熔盐堆需求的 99.99% 以上丰度的锂 7.开发了溶剂萃取制备核纯钍工艺,突破溶剂萃取分离痕量杂质的极限,实现99.999% 纯度和连续批量制备。

(6) 基于氟盐体系的干法分离技术。发展氟化挥发、减压蒸馏和氟盐电化学等干法分离技术,建立了温度梯度驱动的蒸馏技术,提高了熔盐的回收率和回收品质,降低了粉尘排放;建立了阶跃式脉冲电流电解技术,在 FLiBe-UF4 熔盐体系电解得到金属铀的分离率超过 90%。

(7) 熔盐堆放射性气体监控技术。掌握了熔盐中高效脱气的鼓泡脱氚技术,用于多气环境下氚分离的低温分离技术,高效采集大气中多种形态氚的收集技术,实现多气并存气氛中 HTO、HT 和 Kr、Xe 同时在线监测技术。

4 对产业的意义

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。

熔盐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。目前这些产业在我国几乎是空白,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 TMSR 全产业链的发展。

5 结语

40 多年前,我国开展过钍基熔盐堆的研发,限于当时的技术条件,研发工作未能持续。随着经济、科技和工业能力的提升,我国于 2011 年重启钍基熔盐堆研究。尽管先导专项已取得重大进展,为我国钍基熔盐堆研发开了个好头,但整体上这仍是一项极富挑战的长期任务,完成这项任务还需要国家的长期支持,需要国内跨行业、跨部门的技术协作,需要借助国际先进经验。专项研究团队将一如既往,立足眼前、兼顾长远、开拓创新、联合攻关,力争让钍基熔盐堆及相关技术尽快从实验室走向工业应用。

(依托单位:中科院上海应用物理所)

专家点评

2011 年1 月,中科院在上海应用物理所(SINAP)启动了钍基熔盐堆(TMSR)专项。之后 TMSR 取得了飞快进展,建立了发展和部署现代熔盐堆(MSR)的科技基础.2014 年11 月,我作为国际专家组①成员,对 TMSR 进行了评审。我们的结论是 TMSR 项目居世界领先。

① 指中科院发展规划局组织的上海应用物理所“一三五”规划及实施情况国际专家诊断评估组。专家组组长为瑞士苏黎世联邦理工学院校长、PSI 研究所前所长Ralph Eichler 教授,专家组成员包括中国核学会理事长李冠兴院士、Per Peterson 教授、麻省理工大学Lin-wen Hu教授、橡树岭国家实验室David Holcomb 教授等核能专家在内的,来自美国、德国、日本和中国的10 位专家

50 年前,人们开始研究熔盐在核反应堆中应用,然后遇到重大技术挑战。基于当时的技术条件,水冷堆被证明更容易示范并放大.20 世纪70 年代初,中美两国均停止了MSR 研究。

一旦解决关键技术问题,熔盐具有非常理想的反应堆热量传输特性。与水和氦气相比,熔盐具有高温低压的特性,可避免使用沉重而昂贵的压力容器。与金属钠相比,熔盐具有高化学稳定性和热容,可建成紧凑、轻量化和低成本的反应堆。熔盐具有很高的平均输出温度,即使在干旱地区也能够高效发电。

铯元素在熔盐中的化学形态使其不会在事故中变成气体。而在水冷堆事故中,铯会形成活跃的化学形态,极易扩散。铯- 137 的释放是福岛和切尔诺贝利长期区域污染的主要原因.MSR 不会发生造成长期区域污染的事故。当使用液态熔盐燃料时,MSR 可利用钍铀中的大部分能量(水冷堆仅利用1% 能量)并产生极少废物。这是比尔。盖茨的泰拉能源公司现在研究新型MSR 的主要原因。

过去 50 年的技术进步促使研究者重新审视 MSR 技术。现今反应堆采用非能动安全(一种在反应堆停堆后能够不依赖于电力排出热量、防止燃料熔毁的技术),例如 AP1000.类似的,材料、反应堆物理和先进计算模拟等方面的技术也取得了长足的进步。

SINAP 成功建成了世界级的上海光源。我们专家组的结论是,SINAP 同样很好地解决了 MSR 的关键技术问题,能在世界上首先实现MSR 科学示范和前期商业示范,一个重要的例子是成功示范了环保的锂-7 富集技术。

MSR 技术的成功发展和商用带来的收益是可转化的.SINAP 通过成功的国际合作极大促进了MSR 技术发展,例如与美国橡树岭国家实验室合作。中科院的 TMSR 项目在解决关键科学和技术问题上采取了正确的方法,将继续成功引领世界 MSR 发展。

专家介绍

Per Peterson 美国著名核能科学家。加州伯克利大学教授,前核工程系主任,现任工程学院执行院长。美国核学会会士,国家研究委员会成员,奥巴马政府未来核能蓝带委员会成员(唯一核能科学家),并在多个国际学术机构任职。致力于先进裂变核能研究,2002 年与他人共同提出氟盐冷却高温堆的新概念。



图为技术

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