第 ** 卷  第 * 期  2018年*月**日Vol.42 No.* **.**,2018

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中国对于钍基熔盐堆的选择和发展

王丰

单位：“望沪核清”赴嘉兴市、上海市调研长三角地区原子能产业发展实践支队

摘要：在追求碳中和碳达峰的现代社会，核电是众多清洁替代能源中的一种理想选择，而特别地，钍基熔盐堆作为六种新一代堆型之一，有着更多更为独特的优势。也正是因此，我国将钍基熔盐堆选做新一代主力发展堆型之一，由有着独特研发优势的上海应用物理研究所主导研发。同时，钍基熔盐堆的发展也涉及到多学科领域交叉，工程物理作为传统制造业，也作为钍基熔盐堆的发展中所涉及的主要专业，工程物理专业的学生可以了解并展望学科未来。

关键词：核电、钍基熔盐堆

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引言

钍基熔盐堆又叫作液态氟化钍反应堆，简称TMSR，采用熔盐状态燃料以及采用钍-232作为增殖燃料，利用钍-铀循环产能。它是第四代的核电堆型，也是我国上海应用物理研究所主导研制的有极大应用前景的核电堆型。

1反应堆研发的“新阶段”——为何选择熔盐堆

一个完整的核能系统，实现了从产热，到传热，再到用热（如发电、制氢、供暖）的过程。反应堆技术以燃料、冷却剂、慢化剂为三大要素：

①燃料：产生热量的核反应原料，包括直接利用的燃料（天然的铀235以及人工的铀233和钚239）和潜在的燃料（钍232，铀238）等；

②冷却剂：传导热量，包括水、重水、气体、液态金属和液体熔盐等；

③慢化剂：又称中子减速剂，是热中子反应堆内用作降低快中子能量的材料。

如今，核能已经进入到第四代反应堆研发阶段——革命性设计，追求更高的安全性、经济性以及可持续性。第四代熔盐堆有超高温堆，超临界水堆，气冷快堆，铅冷快堆（LFR），钠冷快堆以及熔盐堆六种候选类型。其中熔盐堆有着独特的优势：

1.1  高温

熔盐的熔点沸点较高，能够支撑反应系统在更高温度下运转，加快反应的速度，从而提高发电效率，更适用于各种制氢的应用；

1.2低压

由于熔盐具备更高的沸点，因此能够使系统中的气态成分尽可能少，保证系统有更好的安全性和可操作性；

1.3 大热容

熔盐相比其他冷却剂有更大的比热容，不但可以提高系统功率，还可以使反应系统更加小型模块化，使安全性得到进一步保障；

1.4使用液态燃料

使用液态燃料，且燃料循环模式为闭式，即燃料通过适当处理之后可以回流到装置进行再次利用，使燃料得到更充分利用，减少了能源浪费；

1.5小结

综合以上各方面考虑，熔盐堆的确为新一代反应堆的绝佳选择。

2  熔盐堆的历史

早在1954年核动力飞机问世，美苏等国已经开启了小型核反应堆的研究，但由于种种原因，熔盐堆在之后研究中断了将近40年。在21世纪初研究重启之后，2010年便研制出了氟盐冷却高温堆（FHR），2020年度，钍基熔盐堆也迎来了从有到精的飞跃。

如今，熔盐堆研发火热进行着，激起了核能领域的“新浪潮”。2019年，MIT Technology Review把小型模块化的钍基熔盐堆评为全球十大突破性技术之一。

3  熔盐堆的工作原理

下图是熔盐堆的装置。

3.1钍基熔盐堆简介

该装置分为堆芯、换热器、主泵等多个部分，燃料盐在堆芯和换热器之间通过管道循环，由主泵提供循环的动力），或者进行没有主泵作用，只由密度驱动的自然循环。

3.2 循环原理

燃料盐在堆芯中发生核反应从而温度升高，密度减小，从堆芯下方扩散到上方，进而流向换热器。在换热器处，较高温度的燃料盐会放出自身所携带的热量，这些热量会通过二回路泵转移，进而驱动发电或者制氢系统，而温度降低的燃料盐又会下沉，从而完成一次循环。

3.3 安全防护

由于液态熔盐在反应过程中会产生气体，因此在主泵附近加入一个废气处理装置，能够在第一时间内把产生的废气排出，防止意外时大量气体泄露；堆芯底部的冷冻阀有特殊的结构，可以在应急情况下通过加热的方式打开，把液态盐排入到应急储罐中，从而终止核反应的进行；液态燃料也可以不通过打开堆芯的方式来进行取出操作，从而尽可能防止放射性的扩散。以上均尽可能保证了装置的安全性。

4钍与铀——为何选择钍？

天然铀中含有少量容易裂变的铀-235和大量较难裂变但可以转换的铀-238。铀-235在裂变同时放出中子，让铀-238吸收中子后转为易裂变的钚-239。

天然钍则只含有较难裂变但可转换的钍-232，没有容易裂变的原子核。钍-232要在吸收中子后转为易裂变的铀-233之后才好利用。

通过Th232/U233以及U238/Pu239燃料反应堆类型的比较，可以发现前者在热区和快区中均可做到快速反应产生中子，即在较小的能量时也能使反应正常进行，而后者只能在能量较大时工作，这也说明Th232/U233的优势。

那么，我们为什么选择钍，而非铀呢
？主要原因可以归结为如下。

4.1燃料充足

我国钍含量很多，约为铀储量的六倍。充足的钍含量能够保证未来几个世纪内充足的能量供应；

4.2防止核扩散

钍-232

产生的铀-232衰变子体具有高γ放射性，难以用于核武器的生产，对维持世界和平起到重要作用；

4.3便于废料处理

核废料中高放射性的长周期核素降低了90%，在大约300年之后，放射性就能衰减到本底水平。

5钍基熔盐堆的未来发展

未来，钍基熔盐堆有熔盐堆的精细设计、钍铀循环、中子物理、熔盐热工流体力学、工程热物理、熔盐堆软件开发等研究方向，我们在上海应物所的调研了解到以下几个主要方向

5.1小型模块化钍基熔盐堆的设计

从一体式的kW-MW级，逐步过渡到既可单堆分布式建设，又可以多堆模块化并行扩展的100MW级，用于发电、制氢、供热、工业蒸汽和海水淡化等；

5.2深空探测

特别地，kW-MW熔盐空间堆可用于深空探测。堆的重量为数十吨，寿命不小于10年，可以将反应堆插入地面数米的距离；

5.3热工流体力学

此处特指含内热源熔盐流体的热工水力研究；

5.4熔盐堆的核-热-力-化多物理场耦合效应研究

由于熔盐挤座位燃料产热又作为冷却剂传热，锕系核素，缓发中子先驱核和裂变产物等溶解于熔盐内随之流动、反应和沉积，影响核热产生与传输，并对于结构材料的腐蚀和辐照产生重要影响，熔盐堆中存在着核-热-力-化多物理场耦合效应，利好科学研究。

6上海应物所发展钍基熔盐堆的优势条件

6.1基于数字孪生的“智慧核脑”

“智慧核脑”将核反应堆的“物理世界”和计算机系统的“数字世界”紧密联系，计算机系统与熔盐堆中的数据采集和决策实施达成紧密联系，让核反应系统更加智能化。如今，TSMR专项专用的高性能计算集群，热工水力实验室的大兴实验平台，均为智能化打下了坚实基础。

6.2白光中子源

上海应物所完全自主设计并建造了国内首台电子加速器驱动脉冲型白光中子源，通过电子轰击钨靶来产生中子。该中子源拥有脉冲型高功率、高稳定性电子直线加速器、多脉冲宽度工作模式和高剂量率复合屏蔽体设计，既保证了较高的中子溢出率，又把辐射屏蔽达到了最优化，带来了有利的实验室条件。

7实践感悟

实践中，我们听取了关于钍基熔盐堆核能产生、传输与利用的学术讲座，更深入地认识到钍基熔盐堆的独特优势以及广阔的发展前景，以及数字孪生、超算平台的数字化，智能化手段与核反应堆的物理设备之间巧妙而又自然的联系，感受到了不同领域之间的学科交叉所彰显出“1+1>2”的巨大力量。

这次的实践活动让我们对我国核电中的钍基熔盐堆分支的发展状况有了更深刻的认识，对于核电行业未来的发展方向也有了进一步的了解，希望后续能有更多的机会让我们开阔视野，为核电行业的发展作出贡献。

参考文献

[1]苏更林.钍基熔盐堆——低调的中国“黑科技”[J].百科知识,2022,(19):4-10.

[2]肖韵菲,唐涌涛,苏应斌等.钍基熔盐堆回路系统总体布置初步研究[J].科技视界,2021,(03):19-21.

[3] 李炳营,魏永波,后接等.钍基熔盐堆停堆断路器可靠性分析[J].电子测试,2020,(15):47-49+78.

[4] 于世和,孙强,赵恒等.火星熔盐堆堆芯概念设计[J].核技术,2020,43(05):69-74.

[5] 韩立欣,后接.钍基熔盐堆数字化操作规程系统构建[J].核电子学与探测技术,2019,39(04):436-44

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