为什么第四代核能系统——熔盐堆技术会风靡全球,得到多国的追捧?
发布者:admin | 来源: 中国核工业 | 0评论 | 4422查看 | 2021-07-22 10:32:52    

熔盐堆核能系统是第四代核电6种候选堆型之一,包括钍基核燃料、熔盐堆、核能综合利用3个子系统,具有固有安全性高、能量利用效率高、可实现核燃料增殖、核废料嬗变等优点。


由于自然界中大量存在钍元素,开发钍资源的核能利用是全世界半个多世纪以来的梦想。但熔盐堆“命运波折”,其研发始终起起伏伏,在经历了近半个世纪的低谷后,熔盐堆再一次走进人们的视野。


曾经的宠儿


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1960年在熔盐实验堆研究计划中取得了巨大成功,证明了熔盐堆技术的可行性与可靠性。随后建设的熔盐堆也是迄今世界上唯一建成并运行的液态燃料反应堆,唯一成功实现钍基核燃料(铀-233)运行的反应堆。但是由于其采用液态燃料与其他反应堆主流固体燃料的概念相悖,且不能满足冷战时期提取钚的军事需求,遂失去了美国政府的支持。


在当时,在美国提出熔盐堆概念之后,俄罗斯、法国、日本、英国都相继开展了熔盐堆的研究。1964~1965年,英国开展了部分熔盐快堆的研究工作,与美国同时开展的熔盐热堆研究遥相呼应。20世纪70年代,俄罗斯开展过Th-233U燃料循环、嬗变等熔盐堆方面的基础研究,并与欧洲原子共同体合作提出了2400MW的熔盐锕系元素再循环与嬗变堆(MOSART)。但1986年切尔诺贝利事故带来的影响,使得俄罗斯的熔盐堆研究几乎停滞。


回看我国,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,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,转为建设轻水反应堆。


曾风靡全球的原因


钍基熔盐堆具有五大特点:一是固有安全性高。当熔盐堆内熔盐温度超过预定值时,设在底部的冷冻塞将自动熔化,携带核燃料的熔盐随即全部流入应急储存罐,使核反应终止。熔盐堆工作在常压,操作简单安全。熔盐堆还可建在地面10米以下,有利于防御恐怖破坏和战争袭击。


二是核燃料长期供应。熔盐堆使用使用钍铀核燃料循环。对于陆地钍资源储量的估计,如果乐观地估计,钍的储藏量是铀资源的5~8倍。我国是钍资源大国,若能够将钍用于生产核能,可保我国能源供应千年无忧。


三是核废料最小化。熔盐堆可以对核燃料和反应产物进行在线添加和在线(或邻堆离线)分离和处理,使得核燃料充分地燃烧,最终卸出的核废料很少,约为目前的千分之一左右。


四是防核扩散。传统反应堆所产生的核废料中,有大量易于生产核武器的核燃料钚-239,因此存在核武器扩散的风险,而科学界公认钍-铀燃料循环不适于生产武器级核燃料,只能用于产生核能。


五是多用途与灵活性。小型模块化反应堆、混合能源均为未来核能的发展方向。熔盐堆是小型模块化反应堆较为理想的堆型,同时熔盐堆又是高温堆,适于用作制氢等混合能源的应用。因此,未来或可出现小型化、社区用的核能系统。


“与第三代核技术相比,熔盐堆更安全,也更灵活,冷却剂为氟化盐,冷却后即变为固态盐,既不易泄漏,又不会与水源接触导致污染。同时,由于不依赖水源,使得反应堆选址更加自由,一旦技术成熟,可为中国内陆核电建设提供更灵活的厂址选择。”中国科学院先进核能创新研究院筹备组组长徐洪杰说。


卷土重来


熔盐堆以其显见的优势始终吸引着世界的眼球。


21世纪初,第四代反应堆国际论坛(GIF)将熔盐堆纳入6种最有希望的第四代候选堆型之中。


随后,世界范围内又重新爆发出熔盐堆研究的新气象,美、法、俄、日等各国竞相发展了多种类型的熔盐堆概念设计。美国科学家率先提出了固态燃料熔盐堆的概念,其主要目标瞄准了高温输出与核能制氢。美国能源部与橡树岭、爱达荷国立实验室、麻省理工等大学及西屋公司和阿海珐公司在发展氟盐冷却高温堆的问题上形成基本共识,并已启动了大型研究计划。


而时隔40年之后,中国再次启动钍基熔盐堆的研究。2010年,中国科学院启动了“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统”战略性先导科技专项,即“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”,计划用20年时间实现钍基熔盐堆的商业应用。具体来说,2011~2015年建成2MW钍基熔盐实验堆并在零功率水平达到临界;2016~2020年建成10MW钍基熔盐堆并达到临界;2020~2030年建成示范性100MW(e)钍基熔盐堆核能系统并达到临界。

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