釷熔鹽堆發(fā)電供熱項目介紹

                 賀軍會    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)電供熱項目簡單介紹、對國內(nèi)外技術現(xiàn)狀做了對比，國內(nèi)技術目前發(fā)展狀況，未來應用前景分析。

關鍵詞：釷；熔鹽堆；中子倍增技術；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

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的強勁動力，能源問題是人類.為關注的問題之一，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，因此開發(fā)新能源已是人類迫切和重要的任務。長期以來，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，因此一直充滿了爭議。不過，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。同時，反應堆的冷卻劑也由水變成了復合型氟化鹽--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法比擬的，其核廢料僅為鈾的萬分之一，并且可以在100年內(nèi)衰退為沒有放射性的物質(zhì)¹。當熔鹽堆內(nèi)熔鹽溫度超過預定值時,設在底部的冷凍塞將自動熔化,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)爭襲擊。由于冷卻劑是氟化鹽(同時攜帶燃料),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(zhàn)、核武技術擴散等問題，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、開放、共享”的發(fā)展理念指明了我國能源與環(huán)境可持續(xù)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，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預期。具有更好的經(jīng)濟性、安全性、可持續(xù)性、防核擴散性的第四代先進核能系統(tǒng)，將會為未來核能發(fā)展提供技術支撐²。

釷基熔鹽堆發(fā)電系統(tǒng)（Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System, TMSR）是第四代先進核能系統(tǒng) 6個候選之一，包括釷基核燃料、熔鹽堆、核能綜合利用 3個子系統(tǒng)。釷基核燃料儲量豐富、防擴散性能好、產(chǎn)生核廢料更少，是解決長期能源供應的一種技術方案。釷熔鹽堆使用高溫熔鹽作為冷卻劑，具有高溫、低壓、高化學穩(wěn)定性、高熱容等熱物特性，無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；釷熔鹽堆采用無水冷卻技術，只需少量的水即可運行，可在干旱地區(qū)實現(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)境污染問題。

釷熔鹽堆的優(yōu)異性能主要來自其復合熔鹽冷卻劑的高沸點等物理化學特點，熔鹽還可以用在太陽能集熱、大規(guī)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革命性變化。釷熔鹽反應堆利用的關鍵技術是熔鹽制備與純化技術、結構材料制備加工技術、腐蝕控制技術、熔鹽回路關鍵儀器設備設計與制造技術;相關技術還包括環(huán)境友好型輕同位素分離技術、基于復合氟化鹽熱擴散的材料表面改性技術、高溫熔鹽回路先進測量與控制技術、熔鹽堆堆芯設備設計制造技術、先進熱能轉(zhuǎn)換與利用技術、高溫電解制氫技術、熔鹽堆乏燃料干法分離與處理技術、核純釷制備技術、熔鹽堆燃料制備技術、環(huán)境中微量放射性氣體檢測與控制技術等。這些產(chǎn)業(yè)在中國幾乎是空白，TMSR 先導專項將給釷基熔鹽堆全產(chǎn)業(yè)鏈奠定科技基礎.TMSR 團隊已著手與政府、資本和市場等社會要素結合，將先導專項執(zhí)行中掌握的上述實驗室技術進行產(chǎn)業(yè)化，推動釷熔鹽堆發(fā)電全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

2、技術現(xiàn)狀

2011 年，中科院圍繞國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，部署啟動了首批中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”，計劃用 20 年左右的時間，在國際上首先實現(xiàn)釷基熔鹽堆的應用，同時建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應的科技隊伍。專項依托中科院上海應用物理所，上海有機所、上海高研院、長春應化所、金屬所等 10 家院內(nèi)外科研單位參與。我國對釷反應堆技術研究起步于2011年，雖然起步晚，國家資金支持投入力度大，這幾年進步很大，發(fā)展勢頭非?？欤貏e是近五年在釷反應堆技術研究取得重大突破，TMSR 先導專項著眼關鍵材料與設備制造、設計及工程建設全部自主化，實現(xiàn)原型系統(tǒng)與關鍵技術的系統(tǒng)突破，為建設實驗堆奠定了堅實的科學技術基礎³。與中國核動力院、上海核工院等聯(lián)合開展實驗堆工程設計。在國家核安全局的指導下，與上海核工院合作開展了實驗堆園區(qū)選址的前期技術工作，與國家核電技術有限公司簽訂合作協(xié)議共同推進 TMSR 實驗堆基地選址工作。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小型釷反應堆裝置(10mw)，建設周期較長，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，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。我國已在實驗室規(guī)模全面掌握這一全新領域的核心技術，相關產(chǎn)業(yè)鏈雛形基本形成，預計將于2030年后在全球率先實現(xiàn)商業(yè)應用。

釷熔鹽堆研發(fā)始于 20 世紀 40 年代末的美國，橡樹嶺國家實驗室于 1965 年建成液態(tài)燃料熔鹽實驗堆（MSRE），這是迄今世界上..建成并運行的液態(tài)燃料反應堆，也是..成功實現(xiàn)釷基核燃料（鈾-233） 運行的反應堆。但由于“冷戰(zhàn)”的考慮，側(cè)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，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行了深入的研究，俄羅斯新西伯利亞大學和托木斯科理工大學的釷熔鹽反應堆基礎理論和技術研究居于行業(yè)..地位，屬于第四代釷反應堆技術。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 個候選堆型之一，相關研究在國際上呈現(xiàn)急劇上升趨勢。近期，美國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”（不用水冷卻的反應堆），計劃 2030 年至少有一種四代堆達到技術成熟并開始應用；同時改革傳統(tǒng)反應堆研發(fā)方式，鼓勵企業(yè)參與先進堆的研發(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(nèi)外市場應用前景廣闊，經(jīng)濟效益和社會效益是顯著的。

3、技術創(chuàng)新

熔鹽反應堆簡稱熔鹽堆，是GIF選定的6種先進反應堆中..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、簡單的燃料后處理以及適合釷燃料等特點，都是其他堆型所不具備的，其優(yōu)異的系統(tǒng)性能正越來越多地受到工業(yè)界的青睞。近年來，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，從而無需制造燃料棒，簡化了反應堆結構，使燃耗均勻化，在固有安全性、經(jīng)濟性、核資源可待續(xù)發(fā)展及防核擴散等方面具有其他反應堆無法比擬的優(yōu)點，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(xù)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與固體燃料反應堆明顯不同的安全重點；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)電被稱為“第四代核反應堆國際論壇”選為 6 個候選堆型之一，相關研究在國際上呈現(xiàn)急劇上升趨勢。2011 年，中科院圍繞國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，部署啟動了首批中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”，計劃用 20 年左右的時間，在國際上首先實現(xiàn)釷基熔鹽堆的應用，同時建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應的科技隊伍。專項依托中科院上海應用物理所，上海有機所、上海高研院、長春應化所、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。 “關于中子輻照射產(chǎn)生放射性核素的可能性”； 據(jù)全俄會議記錄，“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，“核反應堆的動力學和調(diào)節(jié)”，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(zhuǎn)換為中子通量時考慮到所有不可避免的損失，從而達到節(jié)能效率，有必要實現(xiàn)至少為1000的中子倍增系數(shù)，而對于常規(guī)的，不受控制的亞臨界系統(tǒng)而言，這是不可能的。但是，有可能基于通過特殊組織的非均質(zhì)介質(zhì)的中子的其他原理，來創(chuàng)建具有大倍增系數(shù)的安全亞臨界組件。任務是創(chuàng)建一個具有大倍增系數(shù)的亞臨界多級中子倍增器，倍增系數(shù)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(xiàn)有的加速器和回旋加速器中獲得⁷。

我公司..引進俄羅斯新西伯利亞大學釷反應堆成套..技術，本..技術是創(chuàng)建一個具有大倍增系數(shù)的亞臨界多級中子倍增器，倍增系數(shù)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(xiàn)有的加速器和回旋加速器中獲得。同時，反應堆的冷卻劑也由水變成了復合型氟化鹽--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，以學習掌握成套技術，并給予以消化和吸收，邀請國內(nèi)核..暨陜西省核協(xié)會..對釷熔鹽反應堆技術先進性、安全性、環(huán)保性、效能收益等進行論證，通過省發(fā)改委上報國家核安全局，進行政策指導及研究批準意見，可否進行3-10WM的小型實驗釷反應堆的建設（發(fā)電和供熱項目），以滿足我國經(jīng)濟快速發(fā)展對電能熱能快速增長的市場需求。

4、結束

我國釷元儲量30萬噸，居世界第二位，原材料來源方便可靠。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)過詳細測算⁹，容量10 MW的釷反應堆發(fā)電整個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的。

包頭鋼鐵公司白云鄂博氧化稀土廠十年前做過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(jù)原包頭市稀土研究院院長馬鵬起測算,白云鄂博礦區(qū)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行提純分離，變廢為寶，綜合效益非常顯著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(nèi)外市場應用前景廣闊。

參考文獻

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