2017.4.8钍基熔盐堆核能系统

钍基熔盐堆核能系统2017.04.08第四组全体成员1.背景介绍2.钍基熔盐堆核能系统(TMSR)3.TMSR发展现状及趋势4.TMSR先导专项研发进展5.展望目录一.背景介绍1.1核能是解决能源和环境问题的重要战略选择能源和资源的稳定供应是保障我国长期可持续发展的必要基础，目前能源消费主要依赖于以煤为主的化石能源，其能源利用效率低下，使得主要耗能产品的单位能耗要比发达国家高12%—55%，同时会产生惊人的物质流和废料流，对交通运输带来巨大压力；煤消耗会产生大量CO2(即温室气体)，其大量排放被国际社会认为可能是引起全球气候变化的最重要因素。中国现在已经是世界第一大碳排放国，在未来很长一段时间内将面临着能源需求持续增长和CO2减排的双重压力。2014年11月12日，中国习近平主席与美国奥巴马总统在正式发表的《中美气候变化联合声明》中指出，中国计划2030年左右CO2排放达到峰值且将努力早日达峰，并计划到2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右，因此发展低碳清洁能源将会是我国能源发展战略的唯一选择。核能是一种能量密度高、洁净、低碳的能源，是保障国家能源安全、促进节能减排的重要手段，大力发展核能已成为我国能源中长期发展规划的战略重点。安全是核能发展的生命线，福岛核事故后，越来越多的国家包括美、法、俄等传统核电强国和韩国、印度等新兴核电国家，都采取多种手段，一方面整合核电资源，加快核电产业发展，同时将主要研发力量投入到拥有更高固有安全性、核燃料可循环、物理防止核扩散和更好经济性等特点的第四代核先进反应堆技术中，以期占领国际技术和市场的制高点。1.2钍基核能和熔盐堆图1232Th的增殖反应和233U的链式裂变反应发展裂变核能必须有足够的易裂变核素——核燃料供应，人类迄今发现的有商业价值的易裂变核素只有3个：铀-235、钚-239和铀-233。其中，铀-235是自然界唯一天然存在的易裂变核素，钚-239需由较难裂变的铀-238吸收中子后转换而来，又称为铀基核燃料(铀基核能)；而铀-233则需由较难裂变的钍-232吸收中子后转换而来，又称为钍基核燃料(钍基核能)。钍铀转换的裂变反应链见图1。一方面可以走快堆模式，提高铀基核燃料的利用率，但是也会带来潜在的核扩散问题；另一方面可开发利用储量大于铀基核燃料的钍基核燃料。地球上钍资源的总储量是铀资源的3—4倍，钍基核燃料的有效利用对于人类的发展有着巨大的价值，特别是我国钍资源丰富，预计如能实现钍完全循环利用，可供使用几千年以上，将成为核能可持续发展的战略保证。目前核电工业使用的燃料基本都是铀基核燃料，由于能源需求的高速增长，对核燃料需求越来越大，要解决燃料短缺的问题，降低对铀资源的需求。天然钍具有α放射性，既是潜在的核能资源，同时又是放射源，应充分注意防止钍污染环境，钍资源通常是其他矿产资源的共生矿，例如在包头白云鄂博，钍矿、铁矿和稀土金属矿是共生矿，目前在开采铁矿和稀有金属的同时，对钍放任不管任其流失，既污染环境，又浪费核能资源。科学合理利用我国丰富的钍资源，在避免环境污染与资源破坏的同时进行未来核燃料储备，已成为众多专家的共识。钍资源的利用钍基核燃料相关知识钍基核能钍铀转换效率高，铀-233在热谱、超热谱以及快谱内都有较大的有效裂变中子数，中子经济性好，因此钍在热中子堆中也能实现增殖；钍基燃料产生的钚和长寿命次锕系核素较少，放射性毒性相对较低；钍铀转换的中间核素232U会产生短寿命强γ辐射的衰变子核208Tl(铊)，这种固有的放射性障碍增加了化学分离的难度和成本，易被核监测，有利于防核扩散；钍和氧化钍化学性质稳定，耐辐照，耐高温，热导性高，热膨胀系数小，产生的裂变气体较少，这些优点使得钍基反应堆允许更高的运行温度和更深的燃耗。钍基核能不易用于制造武器，是更理想的民用核燃料，但由于上世纪发展核武器重要性远远大于发展民用核能，钍在核能中的发展一直处于从属地位。使用钍基核燃料与使用铀基核燃料技术上有相似之处，但不完全相同，具有一些独特的优势与挑战，钍基核燃料使用的技术关键是开发合适的反应堆型。半个世纪多以来，关于钍在核能方面的利用研究取得了许多成果，目前全世界运行过的加钍反应堆超过10座，例如美国希平港的轻水增殖堆，它是第一座使用钍达到增殖的反应堆；美国橡树岭国家实验室的MSRE，它是迄今为止唯一一座长期稳定运行的熔盐堆。2000年，美国DOE牵头发起第四代反应堆国际论坛(GenerationIVInternationalForum，GIF)，目标是开发出一种或若干种革新性核能系统，GIF将第四代先进反应堆的定义扩大为包括核燃料前处理、反应堆技术、核燃料后处理的反应堆核能系统，提出了更高的经济性、安全性、核废料最小化和防扩散性要求，并筛选出了6种最有希望的第四代候选堆型，熔盐堆(MoltenSaltReactor，MSR)是其中唯一的液态燃料反应堆。熔盐堆的提出液态燃料熔盐堆(MSR-LF)将燃料盐直接溶于氟盐冷却剂中，其中液态氟化盐既用作冷却剂，也作为核燃料的载体。燃料可以为235U、233U、239Pu以及其他超铀元素的氟化物盐；冷却剂熔盐一般为如下盐中两种或者多种盐的共晶混合物：LiF、BeF2、NaF、KF、RbF、ZrF4、NaBF4，其中2LiF—BeF2的共晶混合物由于具有较好中子吸收和慢化特性，被认为是一回路盐的首选目标。熔盐堆的燃料经过几十年的发展，熔盐堆在原有液态燃料堆概念基础上扩展出来固态燃料熔盐堆(MSR-SF，也称为氟盐冷却高温堆——FHR)的概念，仅将氟化熔盐作为冷却剂传输热量，采用碳化硅密封、石墨包敷的燃料颗粒(TRISO)作为核燃料，继承了来自多种反应堆的包括非能动池式冷却技术、自然循环衰变热去除技术和布雷顿循环技术等，技术成熟度高，其商业化在当前技术基础条件下具有极高的可行性。氟盐冷却高温堆①液态燃料熔盐堆以氟化熔盐及溶解在其中的钍或铀氟化物组成的熔合物为燃料，无需燃料元件制作；②燃料盐的负反应性温度系数和空泡系数大，具有很好的固有安全性；③熔盐具有良好的热导性和低的蒸汽压，可在高温、低压状态下运行；氟盐冷却剂的物理化学性质氟盐冷却剂的物理化学性质决定了熔盐堆具有能量密度高、无水冷却、常压工作和高温输出(～700℃)等特点。④燃料盐中产生的裂变产物，可以连续地被移入化学处理厂进行在线处理，避免了放射性废物长期贮存在堆内；⑤熔盐常温时为固态，可从根本上避免因泄漏而导致大量的核污染，对生物圈和地下水位线的防护要求没有那么严苛，适合建于地下，可以有效防止自然灾害与战争、恐怖袭击的威胁。钍基熔盐堆核能系统致力于实现基于熔盐堆技术的钍资源高效利用，液态燃料熔盐堆结合连续添换料和在线后处理，易于实现钍基核燃料的增殖，是国际公认利用钍基核能的理想堆型；固态燃料熔盐堆中的流动球床型设计可以不停堆连续更换燃料球，也可在改进的开环模式下实现钍基核燃料的部分利用。钍基熔盐堆核能系统的意义在技术层面上，两类熔盐堆存在共同技术基础和梯次研发需求，固态燃料熔盐堆可以作为液态燃料熔盐堆的预先研究，两者的研发可同时进行，相继发展。钍基熔盐堆核能系统具有更高的固有安全性，可建于地下或内陆干旱地区，可用于高温制氢，二氧化碳加氢制甲醇，对减少温室气体排放有重要意义。二.钍基熔盐堆核能系统(TMSR)熔盐堆的早期概念为液态燃料熔盐堆(MSR-LF)，其研究始于上世纪40年代末的美国，主要目的是美国空军为轰炸机寻求航空核动力(轻水堆则是美国海军为潜艇研发的核动力装置)。1946年5月28日，美国空军启动核能飞行器推进(NuclearEnergyforthePropulsionofAircraft，NEPA)工程，1951年5月代之以ANP(AircraftNuclearPropulsion)计划，核动力轰炸机中计划采用4个核动力涡轮发动机，设计功率为200MW，由熔盐堆反应产生的热能取代喷气发动机内的燃料燃烧提供动力，可连续飞行数周时间。2.1TMSR的历史起源美国橡树岭国家实验室(ORNL)承担了ANP计划中核能引擎反应堆的研发任务，于1954年建成第一个熔盐堆实验装置ARE(AircraftReactorExperiment)，功率为2.5MWth，燃料为NaF—ZrF4—UF4混合物。ARE成功运行了1000个小时，总积分功率为96MW-hr，运行最高温度达到882℃，展示了很好的稳定性以及易控制性。熔盐堆设计理念具有许多超过常规反应堆的明显优势，熔盐堆运行压力低，不需要现今反应堆常见的大型压力容器；可以使用不同的燃料，甚至能焚烧其他反应堆产生的超铀元素废物；熔盐堆能设计成自己增殖燃料而无需场外处理。图2.MSRE基本结构和关键设备MSRE的成功运行充分证明了液态熔盐堆运行的稳定性和安全性，是迄今为止唯一一个液态燃料反应堆，也是唯一一个成功利用铀-233运行的反应堆。研究表明熔盐堆具有非常独特而优异的民用动力堆性能，可以用铀基核燃料，更适合于钍基核燃料，利用液态熔盐堆技术理论上可以实现完全的钍铀燃料闭式循环。1970年代，ORNL完成了2250MWth增殖熔盐堆(MoltenSaltBreederReactor，MSBR)的设计。由于上世纪70年代正是冷战的高潮，发展核武器的重要性远远大于发展民用核能，在核能研究规模整体收缩的背景下，美国政府选择了适合生产武器用钚、具有军民两用前景的钠冷快堆，放弃了更适合钍铀燃料循环、侧重于民用的熔盐堆。美国MSRE的巨大成功和适用于钍基核燃料的特点引起我国科学界和政府的高度重视。上世纪70年代初，我国科研人员选择钍基熔盐堆作为发展民用核能的起步点，一座零功率冷态熔盐堆于1971年建成并达到反应堆临界，通过开展各类物理实验取得了丰富的实验结果。限于当时的科技水平、工业能力和经济实力，我国民用核能转向了轻水反应堆研发并最终建成秦山一期核电厂。2.2TMSR的原理与特点钍基熔盐堆核能系统的主冷却剂是一种熔融态混合盐，可在高温下工作以获得更高的热效率，还可保持低蒸汽压从而降低机械应力。核燃料既可以是固体燃料棒，也可以熔于主冷却剂中，从而无需制造燃料棒，简化反应堆结构，使燃耗均匀化，并易于实现在线燃料后处理。液态燃料TMSR的基本结构主要包括堆本体、回路系统、换热器、燃料盐后处理系统、发电系统及其他辅助设备等。图3.TMSR系统示意图堆本体主要由堆芯活性区、反射层、熔盐腔室/熔盐通道、熔盐导流层、哈氏合金包壳等组成，反应性控制系统、堆内相关测量系统、堆芯冷却剂流道等布置在堆本体相应的结构件中，其主要功能是容纳堆芯中的石墨熔盐组件、堆内构件及相关的操作与控制设施。回路系统由一回路带出堆芯热能，二回路将一回路熔盐热量传递给第三个氦气回路推动氦气轮机做功发电。燃料盐后处理系统包括热室及其工艺研究设备、涉Be尾气处理系统、放射性三废处理系统及其他辅助系统，主要功能是对辐照后的液态燃料盐进行在线后处理，回收并循环利用燃料和载体盐。2.3液态燃料TMSR的特点(1)更好的本征安全性(2)可灵活地进行多种燃料循环方式(如一次利用、废物处理、燃料生产等)(3)可有效利用核资源和防止核扩散(4)热功率密度高、适合小型模块化设计(5)功能多样性及灵活性(6)地下建造图4.TMSR特性结构图液态燃料TMSR具有良好的经济性、安全性、可持续性和防核扩散性，其商业化在当前技术基础条件下也具有极高的可行性，但是针对堆运行温度高、熔盐腐蚀性强和后处理技术不成熟的特点，还需要开展很多基础性工作和克服存在的技术难点，包括：燃料盐的流动特性使得熔盐堆技术成为完全不同于其他固体燃料反应堆的一种全新核反应堆技术，尚无成熟的反应堆设计和安全分析方法以及安全评估规范可供借鉴；燃料盐连续在线后处理技术的可行性需要进行进一步的实验验证；熔盐堆中流体燃料直接接触石墨，因此熔盐堆对于核纯级石墨密封工艺和制造工艺要求较高；燃料盐直接接触管壁，管壁受到的中子通量较高，因此制作管壁的材料需要有较高的耐中子辐照性能；镧系和锕系元素的溶解性、辐照后熔盐与结构材料和石墨的兼容性以及金属偏聚