熔鹽反應堆核能發(fā)電中熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的研究

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

（上海熱油爐設計開發(fā)中心)

0 前言

熔鹽反應堆是核裂變反應堆的一種，其主冷卻劑是一種熔融狀的混合鹽。該熔鹽在高溫下工作時可以保持低蒸汽壓力，從而實現(xiàn)低壓高溫的冷卻方式，這樣就降低了熔鹽熱交換器、熔鹽循環(huán)泵、熔鹽設備與管道的工作壓力，相應也就減小了設備壁厚和重量以及結(jié)構(gòu)尺寸，提高了熔鹽反應堆芯和熔鹽設備的安全性。

核燃料既可以是固體燃料棒，也可以溶于主冷卻劑中，從而無需制造燃料棒。這樣不僅簡化了反應堆，使燃耗均勻化，而且還允許在線燃料后處理。將釷作為核燃料，并且以釷燃料循環(huán)作為一個熱增殖堆，它的堆芯是化學惰性的。在低壓條件下工作，可以防止爆炸和有毒物質(zhì)的釋放。熔鹽—釷增殖燃料的運行周期更長，通過化學沉降或脫氣作用去除中子毒物，可以使其反應堆運行幾十年而不必加燃料。

釷是一種非常高效的核燃料，釷的估計儲量是鈾儲量的3～4倍。目前我國初步探明的釷儲量為28萬t，居于世界第二位。釷在作為反應堆燃料使用后，只留下極少量的廢料，而且這些廢料只需要儲存幾百年。與之相比，其他核燃料的核副產(chǎn)品則要儲存幾十萬年。釷基熔鹽反應堆采用含釷的氟化物熔鹽作為液態(tài)燃料，不需要制備固體燃料元件，可以在線補給核燃料和處理裂變產(chǎn)物，所以釷基熔鹽反應堆被認為是先進的第四代核能系統(tǒng)。該核能堆型具有資源豐富、有利于防止核擴散、核廢料少、轉(zhuǎn)換率高、適應性好等優(yōu)點。

1 熔鹽

熔鹽的選擇標準是要使得反應堆更加安全可靠，而采用氟鹽主要是因為它不像氯鹽那樣需要代價十分昂貴的同位素分離。在中子的輻照下，氟鹽不容易變得具有輻射性。對中子的吸收截面相比氯鹽，氟鹽要更小；而對中子的慢化效果，氯鹽要更好。盡管許多五氟化物和六氟化物的沸點較低，但是低價態(tài)的氟化物沸點很高。氟鹽需要足夠多的熱量才能分解成更加簡單的成分，因而氟化物熔鹽在遠低于它的沸點溫度下是 “化學穩(wěn)定”的。比如氟化混合熔鹽 LiF—NaF—KF（摩爾分率分別為46.5%—11.5%—42%）的熔點為454℃，沸點在1400℃以上，故在高溫條件下其熱穩(wěn)定性很好。

熔鹽在高溫下運行會導致熔鹽設備與管道發(fā)生腐蝕，這是因為熔融氟鹽的強氧化還原作用，能導致熔融氟鹽的化學勢發(fā)生變化。解決該問題的方法是在氟鹽里加入鈹，形成所謂的 “FLiBe”熔鹽，因為加入鈹后能夠降低電化學勢，并且能夠阻擋腐蝕。但是鈹有很強的毒性，故必須防止它泄漏到外面環(huán)境中。鋰和鈹是合理、有效的慢化劑，且能有效降低共熔熔鹽的熔點，這將使得發(fā)電設備的熱效率更高。鈹核在吸收一個中子后能放出兩個中子，這就增強了中子的經(jīng)濟性。對于燃料熔鹽通常是加入1%～2%mol的UF4，也可加入釷鹽和钚鹽。

氟化熔鹽LiF—BeF2具有獨特的熱物理化學性能，可以極大提高熔鹽反應堆的傳熱效率。在1960～1965年間，美國橡樹嶺國家實驗室在熔鹽反應堆的試驗堆中采用的燃料鹽是LiF—BF2—ZrF4—UF4（摩爾分率分別為 65%—30%—5%—0.1%），石墨堆芯慢化，其慢化劑是熱解石墨，二次冷卻劑是FLiBe（2FiF-BeF2），反應堆的溫度可達到 650℃，實際運行了四年。這段運行時間相當于滿功率運行了1.5年。在1970～1976年間，美國橡樹嶺國家實驗室設計開發(fā)的8 MW熔鹽反應堆中采用的燃料鹽為 LiF—BeF2—ThF4—UF4(摩爾分率分別為72%—16%—12%—0.4%)，慢化劑是使用周期為四年的石墨，二次冷卻劑為NaF-NaBF4，反應堆的峰值工作溫度為705℃。

熔鹽是高度腐蝕性的，隨著溫度升高其腐蝕性更強。對于熔鹽反應堆的主冷卻回路來說，需要一種能夠承受高溫腐蝕和強烈輻射的材料。實驗表明，哈斯特洛合金—N和類似合金能夠適應在高達700℃的高溫環(huán)境下運行。根據(jù)目前對生產(chǎn)規(guī)模反應堆的長期觀察經(jīng)驗，通常需要滿足比700℃更高的運行溫度。熔鹽反應堆的高溫運行和強腐蝕性、核輻射性條件對材料的選擇要求非?？量?，特別是氟化熔融鹽在高溫下對結(jié)構(gòu)材料的腐蝕性直接關(guān)系到熔鹽反應堆的安全運行和使用壽命。使用的新型高鎳基合金、SiC纖維及SiC/SiC復合材料、新型陶瓷等材料，可以解決反應堆常用材料的高溫腐蝕性和機械性能差等缺點，有效地提高熔鹽反應堆的安全性和使用壽命。

2 熔鹽反應堆核能發(fā)電

熔鹽反應堆的基本原理為堆芯使用Li、Be、Na、Zr等的氟化鹽以及溶解的U、Pu、Th的氟化物熔融混合作為燃料，這些燃料在600～700℃和低壓條件下形成熔鹽流直接進入熱交換器進行熱量交換。其中LiF、NaF、BeF2、ZrF4為載體鹽，提供熔融載體并改善共熔體的物理化學性質(zhì)；UF4和PuF3為裂變?nèi)剂?，產(chǎn)生熱量和中子；ThF4和UF4為增殖燃料，吸收中子產(chǎn)生新的裂變?nèi)剂蟄或Pu，并經(jīng)在線萃取處理后重新進入反應循環(huán)。一座熔鹽反應堆生產(chǎn)的燃料在運行幾年以后還可以重新再裝備一座新的反應堆，具有極高的經(jīng)濟性。

由于釷增殖反應堆使用低能量的熱中子，因此相比鈾—钚燃料循環(huán)所需要的、卻難以處理的快中子增殖堆要安全可靠。釷是一種銀白色金屬，只有微弱的放射性，不會對健康構(gòu)成危害。釷在自然界的儲量豐富，容易開采，且成本也較低。釷是少數(shù)幾種可做熱增殖堆燃料的物質(zhì)，理論上在分裂維系無窮高溫連鎖反應的同時將會產(chǎn)生足夠多的新燃料。在反應堆芯中衰變時，釷的副產(chǎn)品每次撞擊比傳統(tǒng)核燃料產(chǎn)生更多中子。每次撞擊產(chǎn)生中子越多，生成的能源越多，總?cè)剂舷木驮缴?，留下的放射性廢料更少。釷可以完全溶于氟化鹽液，釷基熔鹽反應堆的設計正是基于這個原理。釷基熔鹽反應堆就是用釷作為核燃料，以熔融鹽 （液態(tài)氟化鹽）作為冷卻劑，以石墨作為中心慢化劑的核反應堆，實際上這也是一種增殖式核反應堆，因為釷每吸收一個中子立刻要產(chǎn)生二到三個中子，遠大于鈾235裂變。由于采用氟化熔融鹽做冷卻劑，所以可以把運行溫度提高到700℃左右，這樣一方面可以盡量多地燃燒核燃料，另一方面也可以極大地提高燃氣輪發(fā)電機的輸出功率。由于氟化熔融鹽的沸點為1400℃，所以熔鹽循環(huán)系統(tǒng)在較低的壓力下進行循環(huán)運轉(zhuǎn)，從而具有了高溫低壓的能量輸送回路的顯著優(yōu)勢，同時釷基熔鹽反應堆還是一種無核泄漏危險的反應堆。所以，釷燃料循環(huán)具備了反應堆安全性、燃料長期充裕以及無需昂貴的燃料濃縮設施等許多優(yōu)點。

熔鹽反應堆核能發(fā)電系統(tǒng)小型的額定功率為2 MW，大型的額定功率超過3500 MW。熔鹽通過化學方法限制裂變產(chǎn)物，并且氣體生成緩慢或不產(chǎn)生氣體。同時燃料鹽并不在氣體或水中燃燒。堆芯以及主冷卻循環(huán)在接近大氣壓下運行且沒有蒸汽，因此超壓爆炸事件不會發(fā)生。即便發(fā)生了意外事件，大量的放射裂變產(chǎn)物仍將留在熔鹽中，而不會散播到空氣中。熔鹽反應堆芯是防熔化的，因此，如果發(fā)生了物質(zhì)泄漏的意外情況，則燃料鹽就會被馬上排放到專門的冷卻應急熔鹽儲存罐中，從而可以完全避免核泄漏事故的發(fā)生。

3 熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的研究和設計開發(fā)

3.1 熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的研究

熔鹽反應堆內(nèi)的熔鹽循環(huán)系統(tǒng)采用核燃料溶于熔融的氟化鹽冷卻劑中，堆芯用石墨做慢化劑，液態(tài)熔鹽在其中達到臨界狀態(tài)。熔鹽一次循環(huán)系統(tǒng)屬于低壓—高溫的主冷卻回路，這樣熔鹽能更有效地將熱量帶出堆芯，從而降低了對循環(huán)泵、管道以及堆芯尺寸的要求，使得這些元件的尺寸縮小。在制造反應堆外殼、循環(huán)泵、設備及管路時，只需要考慮材料的耐高溫性能、耐腐蝕性能、耐輻照性能，而耐壓指標只需要考慮低壓性能。由于氟化熔融鹽沸點很高，所以不用考慮高壓供給問題，氟化熔融鹽在正常大氣壓下就可以工作了。由于在熔鹽反應堆的堆芯區(qū)域沒有高壓蒸汽，只有低壓的熔融鹽，這就意味著堆芯不會發(fā)生蒸汽爆炸，并且不需要輕水堆中最昂貴的元件——堆芯的高壓蒸汽容器殼，故熔鹽反應堆的堆芯包殼和結(jié)構(gòu)組件、設備和管道（熔融鹽管道）均由一種稀有的抗高溫、抗腐蝕鎳合金——哈斯特鎳基合金-N來制造，并且金屬材料的壁厚可以設計得比較薄，這樣設備的成型制作與焊接成本都不昂貴，因此降低了熔鹽反應堆的制造成本。而熔鹽管道腐蝕問題則通過在哈斯特鎳基合金-N中添加示蹤級的鈦而得到解決。

熔鹽反應堆的熔鹽循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。熔鹽循環(huán)系統(tǒng)工作時，反應堆內(nèi)的燃料鹽 （LiF—BeF2—ThF4—UF4）吸收核能升溫后，經(jīng)燃料鹽循環(huán)泵 （一次泵）被輸送到燃料熔鹽熱交換器內(nèi)，放出熱量后燃料鹽溫度降低，再返回熔鹽反應堆內(nèi)吸收熱量。該燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)稱為一次循環(huán)系統(tǒng)，但是一次循環(huán)系統(tǒng)帶有核輻射。熔鹽冷卻循環(huán)系統(tǒng)稱為二次循環(huán)系統(tǒng)。該循環(huán)系統(tǒng)中冷卻鹽 （NaBF4—NaF）在燃料熔鹽熱交換器內(nèi)吸收熱量升溫后，進入冷卻熔鹽熱交換器內(nèi)加熱氦氣，高溫的氦氣驅(qū)動燃氣輪發(fā)電機運行發(fā)電，冷卻后的氦氣返回冷卻熔鹽熱交換器內(nèi)再吸收熱量。冷卻鹽溫度降低后，經(jīng)熔鹽冷卻循環(huán)泵 （二次泵）被輸送到燃料熔鹽熱交換器內(nèi)，繼續(xù)吸收熱量，二次循環(huán)系統(tǒng)沒有核輻射。上述過程不斷循環(huán)，構(gòu)成了燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)和冷卻鹽循環(huán)系統(tǒng)，當運行停止時燃料鹽應排放到燃料鹽貯罐內(nèi)，而冷卻鹽應排放到冷卻鹽貯罐內(nèi)。

圖1 熔鹽反應堆核能燃氣發(fā)電的熔鹽循環(huán)系統(tǒng)工藝流程

3.2 熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的設計開發(fā)

熔鹽反應堆芯底部下方設計了一個冷凍易熔塞，當反應堆過熱時，溫度超過預設值，這個冷凍易熔塞會自動熔化，攜帶核燃料的熔融鹽就全部流入一個專門的應急儲存罐內(nèi)。裂變物質(zhì)離開了反應堆芯，核反應就不會達到臨界，鏈式核反應就會自動終止，故反應堆非常安全。因為釷可溶于氟化鹽液，將釷基氟化鹽溶液倒進反應堆芯的管道中，熔鹽循環(huán)系統(tǒng)就可以讓核反應堆自動調(diào)節(jié)。當攜帶核燃料的熔融鹽溫度太高時，熔融鹽就會膨脹溢出管道，從而減緩核裂變，保證反應堆安全。

熔鹽反應堆的熔鹽循環(huán)系統(tǒng)包括下列設備：熔鹽反應堆、燃料鹽貯罐、冷卻鹽貯罐、應急熔鹽儲存罐、燃料熔鹽熱交換器、冷卻熔鹽熱交換器、氦氣回熱器、氦氣冷卻器、燃料鹽循環(huán)泵 （一次泵）、冷卻鹽循環(huán)泵 （二次泵）、壓氦氣機、熔鹽融化保溫裝置、熔鹽輸送管路預熱保溫裝置、熔鹽防凍抗凍和解凍裝置、熔鹽冷凍易熔塞裝置、熔鹽在線凈化后處理裝置、熔鹽安全防泄漏裝置、配套輔機和閥門儀表、電控裝置等。

在熔鹽反應堆的熔鹽循環(huán)系統(tǒng)設計開發(fā)時[1]，首先通過計算分析確定出燃料鹽存貯總量和燃料鹽系統(tǒng)循環(huán)流量、冷卻鹽存貯總量和冷卻鹽系統(tǒng)循環(huán)流量，并計算出燃料鹽貯罐和應急熔鹽儲存罐及冷卻鹽貯罐的體積，同時設計出相應的結(jié)構(gòu)型式，并設計開發(fā)出冷凍易熔塞的結(jié)構(gòu)型式，繪制出一次燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)和二次冷卻鹽循環(huán)系統(tǒng)的管路圖，然后設計選擇燃料鹽泵和冷卻鹽泵的規(guī)格型號以及閥門儀表的規(guī)格型號，再設計計算出燃料鹽熱交換器、冷卻鹽熱交換器、氦氣回熱器、氦氣冷卻器的結(jié)構(gòu)尺寸，并且從設計角度確保燃料鹽和冷卻鹽的使用安全，再配備相應的燃料鹽和冷卻鹽安全防泄漏、防輻射裝置，同時采用電伴熱系統(tǒng)，以防止發(fā)生熔鹽凝固、造成管路堵塞的現(xiàn)象。最后還要考慮熔鹽反應堆在線后處理裝置，即核燃料鹽的在線凈化、吸附化學處理裝置的設計開發(fā)。

在熔鹽循環(huán)系統(tǒng)運行初期，所有熔鹽設備和熔鹽循環(huán)管路都是處于常溫狀態(tài)，需要采用電伴熱方法進行預熱，以防止熔鹽進入后在管路內(nèi)發(fā)生固化堵塞。熔鹽循環(huán)系統(tǒng)停止運行時，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的全部熔融鹽都要排入冷熔鹽貯罐，所以在配管設計時必須有合理的彎曲度，使之不至于有殘余熔鹽滯留。冷熔鹽貯罐必須安置在最低處。在循環(huán)系統(tǒng)停止運行時，為了防止冷熔鹽貯罐內(nèi)熔鹽固化，可以使用電伴熱方法將熔鹽的溫度保持在融熔點以上[2]。為了防止水蒸氣或空氣進入熔鹽系統(tǒng)，應盡可能將熔鹽循環(huán)系統(tǒng)密封好，并在熔鹽貯罐內(nèi)充入一定量的惰性氣體或者氮氣進行氣體密封保護，且處于正壓狀態(tài)。如果氟化熔鹽暴露在氫中，會形成HF腐蝕性氣體，導致設備及管道的腐蝕加快。為了防止管道中有水蒸氣，形成強烈腐蝕性的氫氟酸，反應堆中的熔鹽循環(huán)系統(tǒng)應采用干燥的惰性氣體進行密封。

熔鹽循環(huán)系統(tǒng)中的熔鹽流量不能過大，否則熔鹽泵的功耗和造價會增大；熔鹽流量也不能過小，如果流量過小，熔鹽的溫度將會被迫升高，導致循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)生熔鹽過熱現(xiàn)象[3]。在熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的設計開發(fā)時，應該保證熔鹽設備和管路內(nèi)熔鹽的流速合理、準確。如果熔鹽流速過高，設備和管道內(nèi)阻力降過大，熔鹽泵的動力消耗就將增多，并沖刷磨損設備和管路的內(nèi)壁面。熔鹽流速過低時，熔鹽會呈現(xiàn)出層流狀態(tài)，這不僅會影響傳熱效果，還會造成熔鹽流體傳熱不均勻。

4 熔鹽的在線后處理

熔鹽反應堆必須配備在線后處理設施，因為反應堆核燃料熔鹽在運行中要產(chǎn)生結(jié)構(gòu)材料的腐蝕產(chǎn)物，氟化鈾和氟化釷的價態(tài)也會發(fā)生變化，故必須凈化以維持反應堆的正常運行。在線后處理會減少裂變產(chǎn)物的存量，控制腐蝕，并通過移除高中子吸收截面的裂變產(chǎn)物，提高中子的經(jīng)濟性。對釷基熔鹽反應堆中進行化學分離，利用熔融鉍金屬體系進行電化學還原回收鏷-233，將中間產(chǎn)物鏷-233從堆芯中移除，從而可以衰變產(chǎn)生高純度的鈾-233，這種經(jīng)衰變直接回收鈾-233被認為是釷鈾轉(zhuǎn)換處理工藝中最高效的方法。另外，鏷-231也會被提取出堆芯，因為如果讓其仍留在燃料中，鏷可能會吸收太多中子，從而導致在石墨慢化劑和熱譜下的增殖。

熔鹽在線后處理的所有步驟都涉及高溫、高腐蝕、高放射性操作，并且還伴有熔鹽的存在。裂變產(chǎn)物存在于氣相、熔鹽或吸附于結(jié)構(gòu)材料上。使用氟化法將四氟化鈾變成氣相的六氟化鈾，去污因子達到105，被認為是最佳回收燃料鈾的方法之一[4]。采用氦氣鼓泡方式去除氣態(tài)具有中子毒性的裂變產(chǎn)物，被認為是在線處理去除裂變產(chǎn)物的最有效手段之一。使用真空蒸餾法可以有效凈化氟鹽，是去除非氣相裂變產(chǎn)物的有效方法，但對高溫真空蒸餾設備的要求比較苛刻，一般采用石墨襯底材料。如果采取無機介孔吸附和真空蒸餾相結(jié)合，有可能使去除裂變產(chǎn)物的效率大幅提高。同時必須設置各種氣體處理設備，用于對氚氣、氟氣、氦氣進行凈化和吸附處理。熔鹽的在線后處理技術(shù)目前僅在實驗室程度上進行了闡明。在工程設計研發(fā)上，可采用上述各種分段工藝或多種分段工藝的組合，同時解決各分段工藝的匹配及遠程自動控制問題，通過優(yōu)化設計開發(fā)出相應的專用設備，制造出安全可靠的熔鹽在線后處理設施和裝置。

5 結(jié)束語

地球上已知的釷元素儲量可以為世界提供至少1萬年的能源支持，而1 t的釷能夠產(chǎn)生1×109W·h電，相當于350萬t煤炭所提供的能源。與輕水反應堆類似，釷增殖反應堆使用低能量的熱中子，因此它比起鈾—钚燃料循環(huán)所需要的、但卻難以處理的快中子增殖堆要安全得多。釷燃料循環(huán)集合了反應堆安全性、燃料長期充裕以及無需昂貴的燃料濃縮設施等優(yōu)點。由于釷基熔鹽反應堆既可以做得很大，也可以做得很小巧，故將來釷基熔鹽反應堆應該向中型和大型核能發(fā)電裝置的方向發(fā)展。此外，它還可以設計成潛艇或飛行器上所使用的小型尺寸動力設備。利用釷提供的能源作動力，可以在極短時間 （60 s）內(nèi)對負載變化作出反應。100 g的釷就相當于340萬L的汽油，故小型化釷基熔鹽反應堆非常適合于潛艇或飛行器攜帶和貯存，可以設計成潛艇或飛行器所需要的尺寸，并且能夠維持很長時間運行。所以，目前應該加緊設計研發(fā)釷基熔鹽反應堆及熔鹽循環(huán)系統(tǒng)，從而最終實現(xiàn)熔鹽反應堆的小型、中型、大型裝置的工程化和產(chǎn)業(yè)化。

[1] 汪琦，俞紅嘯，張慧芬.太陽能光熱發(fā)電中熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的設計開發(fā) [J].化工裝備技術(shù)，2014， 35 （1）： 11-14.

[2] 汪琦.熔鹽加熱爐和熔鹽加熱系統(tǒng)的開發(fā) [J].化工裝備技術(shù)， 2000， 21 （2）： 40-43.

[3] 汪琦，俞紅嘯.熔鹽加熱爐的結(jié)構(gòu)設計和熔鹽過熱的研究 [J].化工裝備技術(shù)，2012，33（5）：39-42.

[4] 姚思德，趙素芳，曹長青，等.熔鹽堆在線后處理的可行性分析 [A].見：第九屆全國核化學與放射化學學術(shù)研討會 [C].2010.