遲到的新技術——第四代核能技術之熔鹽堆的文藝復興
編者按：1976年美國三里島核事故、1986年前蘇聯切爾諾貝利核事故以及2011年日本福島的核電事故再次給世人敲響警鐘，核電發展的安全性高於一切。熔鹽堆作為第四代核能技術主推的6種堆型之一，是唯一使用液態燃料的堆型，其顯著的固有安全性吸引了世界的眼球。
相比目前的第三代反應堆主流核電技術，第四代技術包括了核燃料加工技術、反應堆技術和核廢料處理技術，設計和研發更加人性化，瞄準的是未來20~30年後核能產業發展的需求。熔鹽堆是其主推的6種最具開發前景堆型之一[1]。
熔鹽堆捲土重來
熔鹽堆是利用流動的熔鹽為載體，將核燃料熔於載體熔鹽，進而形成堆芯循環流動的液態燃料反應堆。
熔鹽堆系統示意圖[2]
註：熔鹽堆是將核燃料融在用作冷卻劑的液態氟化鹽中，當燃料鹽留出反應堆時，可以用干法分離技術在線分離增殖產物和裂變產物。
19世紀40年代，美國最早提出熔鹽堆的概念。但在發展過程中，全球政局及經濟因素共同制約了熔鹽堆發展。2012年，美國能源部啟動研發氟鹽冷卻固態燃料高溫堆的研究項目（FHR）為熔鹽堆的發展奠定了堅實的基礎，2013年，FHR概念設計和初始基準設計完成。
FHR原理示意圖[3]
註：FHR設計採用包覆顆粒燃料，氟鹽作為冷卻劑，同時採用非能動預熱排除系統和氦氣布雷頓循環體系
FHR集成了熔鹽堆、氣冷堆、鈉冷堆、壓水堆的優點，具有經濟性、安全性、防核擴散和高效率利用核燃料的優點。FHR高能量密度的特點使其成為未來小型模塊堆的有力競爭者。球床型FHRs可以做到在不停堆的情況下連續更換燃料，同時可在改進的開環模式下完成釷鈾燃料循環，提高了釷鈾的利用率，目前球床型FHRs被作為新一代釷鈾燃料循環的起步。
模塊化球床FHR示意圖[4]
中國期待建造改變世界的反應堆
近年來，中國在核電領域逐漸展露大國風範。截至2015年12月底，中國在運行核電機組29台，總裝機容量28.46GW，世界排名第5，在建機組20台，占國際在建總裝機容量的36%，世界排名第1。《2016世界能源展望》報告顯示，在展望期內，中國核電增長速度年均11.2%，到2020年這一速度將翻一番，而到2035年將增加至現在的9倍[5]。
2016世界核能發電展望[5]
1972年，中國核電站研製之初採用的就是熔鹽堆的方案，但由於世界格局和技術因素，使得中國核電站的研究方向轉變由熔鹽堆轉為壓水堆；2005年，中國重新開啟熔鹽堆的研究；2011年，中國科學院牽頭開展了熔鹽堆的相關研究，提出了中國科學院戰略性先導科技專項，即「未來現金核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）」。
「與第三代核技術相比，熔鹽堆更安全，也更靈活，冷卻劑為氟化鹽，冷卻後即變為固態鹽，既不易泄漏，又不會與水源接觸導致污染。同時，由於不依賴水源，使得反應堆選址更加自由，一旦技術成熟，可為中國內陸核電建設提供更靈活的廠址選擇。」在2015年中國核學會學術年會上，中國科學院先進核能創新研究院籌備組組長徐洪傑說。
曾經風靡全球的熔鹽堆技術
在美國提出熔鹽堆概念之後，俄羅斯、法國、日本、英國和中國都相繼開展了熔鹽堆的研究。
美國：1946年，美國啟動ANP飛機核動力裝置計劃，科學家們提出以核能為動力的飛機設想，1954年，ORNL建成了世界上首個熔鹽堆-美國飛行器反應堆實驗ARE。在這之後，開掛的美國人展開了瘋狂的熔鹽堆研究之路，相繼提出了單迴路燃料各向同性熔鹽堆和雙迴路石墨慢化熔鹽堆的設想，也超前的預設了在反應堆的設計中採用釷鈾燃料循環系統以實現增殖。2002年，熔鹽堆被列為6種第四代反應候選堆型之一；2012年，美國能源部啟動研發氟鹽冷卻固態燃料高溫堆的研究項目（FHR）。
1976年10月，時任ORNL主任的Alvin Weinberg在MSRE上記錄其滿額運行6000h[6]
俄羅斯：20世紀70年代，俄羅斯開展過Th-233U燃料循環、嬗變等熔鹽堆方面的基礎研究，並與歐洲原子共同體合作提出了 2400MW 的熔鹽錒系元素再循環與嬗變堆（MOSART）。1986 年，切爾諾貝利事故帶來的影響使得俄羅斯的熔鹽堆研究幾乎停滯。
法國：自1997年法國就一直進行著熔鹽堆快堆方面的研究，在2006年，法國國家科學研究中心下屬的LPSC實驗室提出了熔鹽快堆（MSFR）的設計概念，2014年，最新的MSFR概念設計成為FGIF論壇液態燃料熔鹽堆技術的參考設計堆型。
日本：19世紀80年代，日本開始致力於熔鹽堆的研究，並提出了釷基熔鹽堆核能協作系統的設計概念。
英國：1964年到1965年，英國進行了部分熔鹽快堆的研究工作，與美國同時開展的熔鹽熱堆研究遙相呼應。
中國：20世紀70年代，中國開始進行熔鹽堆的相關研究工作，1971年，石墨-熔鹽零功率堆達到臨界，但後來728工程用壓水堆方案取代了熔鹽堆的概念設計；2011年，中國科學院釷基TMSR研究中心揭牌，時隔40年之後，中國再次啟動釷基熔鹽堆的研究。
釷鈾燃料循環為新一代熔鹽堆保駕護航
鈾基燃料的江湖地位不保
鈾基和釷基是裂變反應堆中的主要核燃料類型。目前已產業化應用的核能技術是基於壓水堆為代表的熱中子反應堆技術。235U是其自然界存在的唯一的裂變材料。但235U極低的天然丰度（約為0.7%）會使其與化石能源一起枯竭。而從總的裂變核燃料利用率來看，1~2%的利用率使得鈾被納入乏燃料（核廢料）的行列。乏燃料含有的核裂變產物和次錒系元素等高放射性核素，使其處理難度極大。同時乏燃料潛伏著一個危險因子，即用於製造核武器的239Pu，239Pu的存在使得鈾基核電站技術隱藏著極大的核擴散的危險。
百花齊放的核電事業發展，必然需要大量的核燃料，未雨綢繆，尋求新的替代燃料十分必要。232Th與233U的性質相似，通過轉化或者增殖，232Th會轉變為233U。釷基核燃料堆在裂變發電過程中，產生的錒系元素含量低於其他堆型，減少了核廢料的產生，同時釷基乏燃料中的Pu等可以用於生產核武器的成分不易提取，因此有利於預防核擴散。釷基核燃料具有232Th/233U 轉換效率高、在熱中子堆中也能增殖、產生較少的高毒性放射性核素、有利於防核擴散等優點。而從儲量上來說，地殼中釷儲量豐富，是鈾的3~4倍，開發應用前景良好。
232Th 的增殖反應和233U 的鏈式裂變反應[3]
未來理想的閉環模式
釷基和鈾基核燃料利用工作模式分為開環模式和閉環模式。開環模式是目前核工業普遍採用的模式，核燃料利用率介於1%和2%之間；閉環模式是核燃料再循環模式，通過乏燃料、核燃料的再製造和進堆使用，可以多次重複利用核燃料循環過程，核燃料的理論利用率約為60%。
三類核燃料循環模式[4]
圖中所示為從礦石開採濃縮到製備成核燃料以後，核燃料的3類循環模式。由圖中可見，第三類閉環模式，可以對所有的乏燃料進行後處理，回收後的裂變材料可以進行多次循環利用，是今後核燃料的理想循環模式。
中國熔鹽堆研究致力發展固體燃料和液態燃料2種技術，以最終實現基於熔鹽堆的釷資源高效利用。釷鈾循環核數據、結構材料、後處理技術等基礎性研究工作是下一階段中國的研究重點。
未來，TMSR模擬裝置、10 MW固態燃料TMSR實驗裝置和具有在線干法後處理功能的2 MW液態燃料TMSR實驗裝置是中國熔鹽堆的技術支撐。中國預計到2030年左右，實現全面掌握TMSR設計技術，基本完成工業示範堆建設，同時發展小型熔鹽堆模塊化技術，並達到進行商業化推廣的目的。
撰文：祝葉華
參考文獻：
[1]https://www.technologyreview.com/s/602051/fail-safe-nuclear-power/.
[2]DoE U S. A technology roadmap for generation IV nuclear energy systems[C],GIF-002-00//Nuclear Energy Research Advisory Committee and the Generation IVInternational Forum. 2002.
[3]張志宏. 2 MWt 液態釷基熔鹽堆輻射屏蔽的預概念設計[D]. 中國科學院上海應用物理研究所，2014.
[4] 江綿恆，徐洪傑，戴志敏.未來先進裂變能—TMSR 核能系統[J].中國科學院戰略性先導
科技專項.2012,27(3):366-374.
[5] http://www.bp.com/zh_cn/china/reports-and-publications/_bp_2016_.html.
[6] https://www.ornl.gov/news/msres-50th.
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