中國大力發展的熔鹽反應堆有何神奇之處

2020-11-29 觀察者網

2017年末，根據中科院官網介紹，中國有望在2020年前後於甘肅建成2個熔鹽堆。

由於化石能源終將耗盡，科學家們一直在尋找可以替代化石能源的新能源，而在眾多新能源中，核能被很多專家認為是比風能、太陽能更具潛力和發展前景的新能源。因為在大規模長時間儲能技術成熟以前，風能、太陽能等可再生能源能量密度低、隨機波動、間歇性、和分布不勻決定了均不適合作為能源體系內的基荷發電形式。

第四代核能系統國際論壇（GIF）共推薦了6種先進核能系統：鈉冷快堆（SFR）、超高溫氣冷堆（VHTR）、超臨界水堆（SCWR）、氣冷快堆（GFR）、鉛冷快堆（LFR）和熔鹽堆（MSR），作為四代核電的候選堆型。

那麼，熔鹽堆有何神奇之處？促使中國在擁有高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩款具有第四代核能系統技術特徵的核反應堆的同時，還積極研發和建設熔鹽堆核電站呢？

熔鹽堆並非新概念

熔鹽堆是6種第四代反應堆之一，在固有安全性、經濟性、核資源可持續發展，以及防核擴散等方面具有其它反應堆無法比擬的優點。

雖然熔鹽堆是第四代反應堆，但它並非是新鮮事物，早在幾十年前，國際上就已經有相關研究了。

在上世紀40年代，美國空軍啟動核能飛行器推進工程，為轟炸機尋求航空核動力。在1951年，啟動了Aircraft Nuclear Propulsion計劃。在計劃中，核動力轟炸機中計劃採用4個核動力渦輪發動機，設計功率為200MW，由熔鹽堆反應產生的熱能取代噴氣發動機內的燃料燃燒提供動力，可連續飛行數周時間。

美國橡樹嶺國家實驗室承擔了Aircraft Nuclear Propulsion計劃中核能引擎反應堆的研發任務，於1954年建成第1個用於軍用空間核動力研究的2.5MW熔鹽堆，1965—1968年，美國橡樹嶺國家實驗室成功運行了8MW熔鹽實驗堆3000小時，證明了熔鹽堆的可行性。

不過，由於戰略飛彈的異軍突起，使核動力轟炸機變為雞肋，熔鹽堆也隨之轉向民用。然而，冷戰時期美國政府更加青睞適合生產武器用鈽、具有軍民兩用前景的鈉冷快堆，放棄了更適合釷鈾燃料循環、側重於民用的熔鹽堆。

在上世紀70年代，蘇聯也開始研究熔鹽堆。不過，受車諾比核事故與蘇聯解體的影響，相關研究近乎停滯。

在70年代，清華大學也曾經研究過熔鹽堆，受資金限制，主要側重於前期技術預研，並未建設實驗堆。

近些年，中國科學院啟動了「未來先進核裂變能」戰略性先導科技專項，釷基熔鹽堆核能系統作為其兩大部署內容之一，計劃用20年左右的時間，致力於研發第四代先進裂變反應堆核能系統，實現核燃料多元化、防止核擴散和核廢料最小化等戰略目標。

（中國釷基熔鹽堆核能系統階段發展目標）

熔鹽堆的結構和工作原理

釷基熔鹽堆可以分為固態釷基熔鹽堆和液態釷基熔鹽堆，具備三個基本特徵：一是利用釷基燃料，二是採用熔鹽冷卻，三是具有基於高溫輸出的核能綜合利用系統。

液態釷基熔鹽堆是第四代反應堆中唯一使用液態燃料的反應堆，因其特殊性，這裡就主要介紹液態釷基熔鹽堆。

液態釷基熔鹽堆的基本結構包括堆本體、迴路系統、換熱器、燃料鹽後處理系統、發電系統及其他輔助設備等。由於使用液體核燃料，這就決定了其工作原理與常規固體燃料反應堆有所不同：

含有釷的燃料熔鹽以高於500℃的堆芯入口溫度，流入經優化設計的堆芯達到臨界，燃料熔鹽在堆芯處發生裂變反應釋放熱量。迴路系統中的一迴路帶出堆芯熱能，二迴路將一迴路熔鹽熱量傳遞給第三個氦氣迴路，推動氦氣輪機做功發電。對於被核輻射照射過的液態燃料鹽，燃料鹽後處理系統會對其進行回收和循環利用。

（熔鹽堆示意圖）

熔鹽堆具有哪些特點和優勢

首先，熔鹽堆具有較高的安全性。液體熔鹽堆採用高溫熔鹽作核燃料，兼作載熱劑，不需專門製作燃料組件，因而杜絕了堆芯融化事故發生的可能。加上熔鹽的低蒸氣壓減少了破口事故的發生，即便發生破口事故，熔鹽在環境溫度下也會迅速凝固，能夠防止事故進一步擴展。

其次，熔鹽堆可有效利用核資源和防止核擴散。由於釷基熔鹽堆所使用的釷無法用於核武器製造，因而推廣釷基熔鹽堆能大幅降低核擴散的風險。必須指出的是，中國的鈾礦儲備雖然並不出眾，但釷儲量居於世界前列。也就是說，一旦釷基熔鹽堆投入商業運營，中國基本不必為核燃料來源擔憂。

再次，熔鹽堆的熱功率密度和發電效率高。熔鹽堆的堆芯結構較為簡單，因而可以設計成具有較高功率輸出的小型反應堆。同時熔鹽堆可以採用布雷頓循環，發電效率高達45%—50%。加上熔鹽堆具有運行無需控制棒、不停堆換料、壽命長、功率易調等特點，使其可以用於核動力潛艇和水面艦艇上。

最後，熔鹽堆具有多樣化的功能。熔鹽堆不僅能夠發電，還可產生高溫工藝熱，服務於工業製造。此外，熔鹽堆還具有供熱、煤氣化、甲烷重整、制氫等功能。

還需要攻克哪些技術難關

液態釷基燃料熔鹽堆具有良好的經濟性、安全性、可持續性和防核擴散性，其商業化在當前技術基礎條件下也具有極高的可行性。

不過，針對堆運行溫度高、熔鹽腐蝕性強和後處理技術不成熟的特點，還有不少需要克服的技術難題。

首先，燃料鹽的流動特性使得熔鹽堆技術成為完全不同於其他固體燃料反應堆的一種全新核反應堆技術，尚無成熟的反應堆設計和安全分析方法以及安全評估規範可供借鑑。

其次，燃料鹽連續在線後處理技術的可行性需要進行進一步的實驗驗證。

再次，熔鹽堆中流體燃料直接接觸石墨，因此熔鹽堆對於核純級石墨密封工藝和製造工藝要求較高。

最後，燃料鹽直接接觸管壁，管壁受到的中子通量較高，因此製作管壁的材料需要有較高的耐中子輻照性能。

......

誠然，要將藍圖變為現實還要解決很多問題。我們由衷祝願中國的科研人員能夠披荊斬棘，建成熔鹽堆。

如果中國能夠實現這一目標，不僅可實現核燃料多元化，確保我國核電長期發展和促進節能減排，還可以防止核擴散和實現核廢料最小化，為和平利用核能開闢一條新途徑。

一句話總結，熔鹽堆是優點和挑戰幾乎同樣巨大的一種堆型。目前在六種候選四代堆型裡幾乎是離商用最遙遠的。要在2020年前後實現建成兩座商用熔鹽堆的技術難度非常高。

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