熔盐堆的双流设计改进
熔盐堆技术特点分析
熔盐堆技术特点分析
许鹏先
【期刊名称】《机械》
【年(卷),期】2016(0)S1
【摘要】作为第四代核电堆型之一的熔盐堆,能更有效地利用铀钍资源并能实现一定的燃料增值,得到了世界各国的重视。
分析了熔盐堆的技术优劣并介绍了其原理,重点分析了其固有安全性、经济优越性、换热效率高等方面。
针对目前出现的困难,如增值能力不高和材料方面的不足进行分析和研究。
【总页数】3页(P5-6)
【关键词】熔盐堆;液态堆芯;固有安全性;技术特点
【作者】许鹏先
【作者单位】东方电气核设备设计所
【正文语种】中文
【中图分类】TL426
【相关文献】
1.实现熔盐堆原型系统与关键技术的系统突破为建设实验堆奠定坚实科学技术基础r——中科院战略性科技先导专项"未来先进核裂变能——r钍基熔盐堆核能系统"取得阶段性成果 [J], 徐洪杰;戴志敏
2.熔盐实验堆MSRE堆芯罐和反应堆容器辐照损伤计算与分析 [J], 刘亚芬;梅龙伟;蔡翔舟;熊文纲;蒋大真
3.熔盐实验堆MSRE堆芯罐和反应堆容器辐照损伤计算与分析 [J], 刘亚芬;梅龙伟;蔡翔舟;熊文纲;蒋大真
4.钍基熔盐反应堆中熔盐冷却回路的分析研究 [J], 汪琦;俞红啸;张慧芬
5.熔盐堆高温熔盐泵液下轴承表面织构分析与优化 [J], 陈俊;蒋鑫越;林良程;傅远因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
美企联合发布具有熔盐贮能功能的小堆设计
核电厂核反应堆美企联台发布具有熔盐贮能功能的小堆设计【美国泰拉能源公司网站2020年8月27日报道】2020年8月27日，美国泰拉能源公司（TerraPower ）和通用电气-日立核能公司% GEH ）共同发布Natrium 反应堆-储能系统。
Natrium 基于已在太阳能热电厂使用的技术，拥有两个功能模块:一个小型钠冷快堆发电模块 和一个熔盐储能模块。
Natrium 系统具备三个特点,可以大幅降低造价:一是布局新颖，非核机械设备、电气设备和其他设备分别布置在独立的结构体中,大幅降低了复杂性;二是与传统大型核电厂相比,Natrium 系统大幅减少了设备接口 ,核级混凝土的使用量也减少了 80% ；三是大部分建筑基于工业标准。
Natrium 拥有一座345 MWe 钠冷快堆，其输出功率能够根据市场需求调整。
例如，由于配备了创新的熔盐储能模块，在必要时可以将输出功率提升至500 MWe ,并持续5个半小时。
因此,Natrium 适于调峰运行，可与拥有大量可再生能源的电网实现无缝整合,帮助实现削峰填谷。
（中核战略规划研究总院伍浩松戴定）西三台核电机组获准延寿【英国《国际核工程》网站2020年7月31日报道】 西班牙生态转型部2020年7月25日宣布，批准阿尔马拉兹核电厂1号和2号机 组以及班德略斯核电厂2号机组延寿。
阿尔马拉兹1号机组和2号机组均为1000 MWe 压水堆，分别于1981年和1983年投运,可分别运行至2027年11月和2028年10月*班德略斯2号机组是一座1045 MWe 压水堆,1988年投运，可运行至2030年7月*但根据国家放射性废物公司％ Enresa ）与核电厂业主达成的时间表，班德略斯2号机组可能会再次延寿至2035年*放废公司与核电厂业主2019年签署意向协议,决定在2027-2035年期间有序关闭西班牙核电机组*根据西班牙政府提交至欧盟的 "2020-2030年国家综合能源和气候计划》，到2030年，可再生能源在该国电力结构中的占比将达74%*（中核战略规划研究总院张焰伍浩松）美嘉科将支持熔盐堆SSR 研发【美通社达拉斯2020年8月6日电】 美国嘉科% Jacobs ）工程公司已被莫尔泰克斯能源公司％ Moltee Eneryy ）选定为供应商，负责在英国伯奇伍德园区％ Birchwood Park ）建设一座专用热 传导试验设施,以支持稳定熔盐堆% SSR ）研发*SSR 是莫尔泰克斯能源正在研发的一种无泵（只有二次盐浴中的小型叶轮）设计,靠熔盐 在堆芯内静态垂直燃料管中的对流将热量从堆芯传递给蒸汽发生器*燃料组件布置在半充满冷却剂盐的罐中央，这种盐主要通过对流将热量从燃料组件传递到外部蒸汽发生器*莫尔泰克斯能源已使用嘉科软件开展辐射输运建模和反应堆性能仿真工作*莫尔泰克斯能源已从能源部高级研究计划 署％ APRA-3）计划获得超过600万美元的资助*（中核战略规划研究总院伍浩松戴定）14国外核新闻2020.9。
熔融盐反应堆的研究与应用
熔融盐反应堆的研究与应用随着全球能源需求的持续增长和对环境保护的需求，一种新型能源形式——熔融盐反应堆逐渐受到关注，被视为替代传统核反应堆的一种技术。
熔融盐反应堆是利用熔盐作为燃料和冷却剂进行核反应，并将反应堆运行时的熔盐连续循环使用，这种设计可以解决传统核反应堆中遇到的一些问题。
本文将说明熔融盐反应堆的基本构成、工作原理以及研究与应用现状。
一、熔融盐反应堆的基本构成熔融盐反应堆由燃料部分、冷却部分、回路系统、控制系统四部分构成。
1.燃料部分：熔融盐反应堆的燃料是钍-铀等多种核物质，通过反应使核能释放。
通常采用的熔盐燃料是氟化钠、氟化钙和氟化钚等物质。
2.冷却部分：熔融盐反应堆的冷却剂是熔盐，通过运动流经反应堆，将燃料所释放的核能带走。
常用的冷却盐有氟化钠、氯化锂等物质。
3.回路系统：熔融盐反应堆的回路系统是指通过熔盐将燃料和冷却剂的流动连接起来的管道和设备。
这一系统主要由蒸汽发生器、蒸汽涡轮机、热交换器、紫外线杀菌器等部分组成。
4.控制系统：熔融盐反应堆的控制系统是指可以对反应堆内运动的燃料和冷却剂进行控制的设备和程序。
二、熔融盐反应堆工作原理熔融盐反应堆利用熔盐作为燃料和冷却剂，实现了反应堆的自冷却。
在熔融盐反应堆内，钍、铀等核物质在熔盐的作用下发生核反应，产生热能，随后被熔盐带走。
熔盐从反应堆中循环流动，将带走的热能经过换热器转移到蒸汽涡轮机中，使其旋转发电。
熔融盐反应堆的分级设施化技术使核废料可以直接回收而无需经过再加工，大大降低了长半衰期放射性核废料的数量和储存难题。
同时，熔盐自身具备较高的溶液能力，可以较好地控制铀燃料的裂变程度，避免较大的能量释放。
三、熔融盐反应堆的研究与应用现状目前，熔融盐反应堆领域的技术创新主要围绕以下方向展开：1. 熔盐冷却剂工质：当前表现出较大潜力的是氟化钠工质的应用。
与气冷反应堆和水冷反应堆相比，熔盐反应堆中的氟化钠冷却剂可以在极端条件下长时间稳定运行，适应于高功率、高能量密度的应用。
熔盐堆低功率工况下反应性引入事故初始条件敏感性探讨
第44卷第6期2021年6月V ol.44，No.6June2021核技术NUCLEAR TECHNIQUES熔盐堆低功率工况下反应性引入事故初始条件敏感性探讨焦小伟王凯王超群杨群何兆忠（中国科学院上海应用物理研究所上海201800）摘要熔盐堆低功率工况反应性引入事故中，不同的反应性引入速率将触发不同的停堆信号。
同时反应堆初始功率和反应性温度系数等初始条件影响事故的进程，引起事故后果的差异。
本文选取了7个反应性引入速率工况、25个初始功率水平和反应性温度系数的参数组合初始工况，分别讨论了这三个参数对事故后果的影响。
分析结果表明：熔盐堆低功率工况反应性引入事故的后果对反应性引入速率的变化较敏感，在其他初始条件一定的情况下，存在特定的反应性引入速率会导致最不利的事故后果；事故后果对反应堆初始功率和反应性温度系数的变化不敏感，由初始功率和反应性温度系数差异造成的事故后果差异较小。
关键词熔盐堆，低功率，反应性引入事故，敏感性中图分类号TL36DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.060602Study on sensitivity of initial conditions of reactivity initiated accident under low powerconditions of molten salt reactorJIAO Xiaowei WANG Kai WANG Chaoqun YANG Qun HE Zhaozhong(Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai201800,China)Abstract[Background]In the reactivity initiated accidents under low power operating conditions of molten salt reactor(MSR),different reactivity insertion rates will trigger different emergency shutdown signals.At the same time,the initial conditions such as the initial reactor power and the temperature coefficients of reactivity affect the accident process and cause differences in accident consequences.[Purpose]The study aims to conduct a sensitivity analysis of the impact of the reactivity insertion rate,the initial reactor power,and the reactivity temperature coefficient on transient consequences.[Methods]First of all,7reactivity insertion rate conditions were selected and simulated through RELAP5-TMSR.Then,25combinations of the initial reactor power and the temperature coefficients of reactivity were assumed as initial conditions.Finally,the effects of these three parameters on the consequences of the accident were discussed separately by using local sensitivity analysis method.[Results]The insertion rate that causes a concurrent trigger of the high outlet temperature and the high-power shutdown signal leads to the most unfavorable consequence.The difference between the peak temperatures of the fuel salt and structural materials and their respective initial values under the worst reactivity insertion rate condition is negatively correlated with initial power.However,the temperature difference of each parameter caused by different initial power does not中国科学院青年创新促进会项目(No.Y929022031)资助第一作者：焦小伟，男，1989年出生，2019年于中国科学院大学获博士学位，副研究员，主要从事反应堆事故分析通信作者：杨群，E-mail：收稿日期：2021-01-14，修回日期：2021-03-29Supported by the Project of Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences(No.Y929022031)First author:JIAO Xiaowei,male,born in1989,graduated from University of Chinese Academy of Sciences with a doctoral degree in2019,associate professor,focusing on reactor safetyCorresponding author:YANG Qun,E-mail:Received date:2021-01-14,revised date:2021-03-29焦小伟等：熔盐堆低功率工况下反应性引入事故初始条件敏感性探讨exceed3℃.The difference between the peak temperatures decrease first and then increases with the increase of the temperature coefficients of reactivity,but the maximum difference does not exceed0.5℃.[Conclusions]Under low power operating conditions of MSR,the consequences of reactivity introduced events are highly sensitive to the reactivity insertion rate and low sensitivity to the initial power and temperature coefficients of reactivity.Key words Molten salt reactor,Low power,Reactive initiated accident,Sensitivity熔盐堆（Molten Salt Reactor，MSR）是第四代核能系统候选堆型之一。
熔盐堆MSR简介
熔盐堆的基本原理为堆芯使用Li、Be、Na、Zr等的 氟化盐以及溶解的U、Pu、Th的氟化物熔融混合作为燃 料，在600~700℃和低压条件形成熔盐流直接进入热交 换器进行热量交换。 其中，LiF、NaF、BeF2、ZrF4为载体盐，提供熔融 载体并改善共熔体的物理化学性质； UF4和PuF3为裂变 燃料，产生热量和中子；ThF4和UF4为增殖燃料，吸收 中子产生新的裂变燃料U或Pu，在线萃取处理后重新进 入反应循环。 一座熔盐反应堆生产的燃料在运行几年以后还可以 重新再装备一座新的反应堆，具有极高的经济性。同时 由于燃料的直接热交换方式使其具备可以小型化的优势， 从而具有 为舰船和航空器上提供动力的光明前景。
美国液态燃料熔盐堆研究历史
熔盐反应堆安全性分析及优化设计研究
熔盐反应堆安全性分析及优化设计研究随着全球能源结构变化的不断加剧，人类正在不断探索新的可替代能源，其中核能作为一种稳定而高效的能源形式，被广泛关注和应用。
然而传统核能发电存在安全风险和核废料等难题。
近年来,熔盐反应堆作为一种新型的核反应堆发展迅速，其优良的安全性和更加有效的核废料处理能力成为了熔盐反应堆得以广泛应用的主要原因。
一、熔盐反应堆工作原理及类型熔盐反应堆是一种新型的核反应堆，其内部核燃烧材料为熔盐，因此也称为熔盐核反应堆。
当高能中子撞击熔盐的核燃烧物质时，会发生核反应，同时放出大量的能量，这些能量可以直接转化为电能。
熔盐反应堆的核燃烧物质选择上以熔盐形式较为适合，具有良好的传热性能和热容量，能够承受高温和高压的环境下而不易发生过热等危险情况。
熔盐反应堆按照行动方式主要分为流态燃料型熔盐反应堆和固态燃料型熔盐反应堆两类。
固态燃料型熔盐反应堆是将熔盐直接作为燃料使用，也即是在熔盐中加入滴入的核燃料。
而流态燃料型熔盐反应堆则是将熔盐作为传热介质，通过循环泵将熔盐注入到燃料芯中，使核反应在燃料芯中持续进行，直到核燃料的反应率下降到一定程度后，再将燃料芯中的熔盐泵送回循环。
流态燃料型熔盐反应堆的反应过程比较稳定可控，因此当前国际上主流的熔盐反应堆都采用了这种方式。
二、熔盐反应堆的优势和安全性熔盐反应堆作为新型的核能反应堆，其具有较多的优势，如：1. 具有更高的核燃料利用率。
熔盐反应堆能够通过循环将燃料芯中的核燃料一直反应完全，最终实现核燃料利用率100%；2. 具有更低的排放。
熔盐反应堆过程中几乎不会排放二氧化碳等污染物质，只会释放氦气等一些无害成分；3. 具有更高的安全性。
熔盐反应堆本身就具有较好的安全性，同时采用复杂的控制系统和多重安全防护措施来保障反应堆的安全性。
对于反应堆的安全性来说，熔盐反应堆更容易做到负反馈控制，即当反应堆过热或过载时，会自动降低反应率或者停止反应，从而确保反应堆的安全性。
钍基熔盐反应堆中熔盐冷却回路的分析研究
钍基熔盐反应堆中熔盐冷却回路的分析研究汪琦;俞红啸;张慧芬【摘要】首先,介绍了钍基熔盐反应堆的低压运行优点与结构的安全性.其次,研究了熔盐循环冷却回路系统,包括一次燃料盐回路系统和二次冷却盐回路系统,讨论了熔盐循环回路系统中熔盐局部过热的原因及危害,分析了熔盐最高液膜温度的计算方法.最后,探讨了熔盐循环冷却回路系统的设计开发步骤,并分析了熔盐循环冷却回路系统的计算机自动控制.【期刊名称】《上海化工》【年(卷),期】2018(043)001【总页数】4页(P30-33)【关键词】钍基熔盐堆;冷却回路;液膜温度;循环系统;设计;自动控制【作者】汪琦;俞红啸;张慧芬【作者单位】上海热油炉设计开发中心上海200042;上海热油炉设计开发中心上海200042;上海热油炉设计开发中心上海200042【正文语种】中文【中图分类】TL34纯金属钍（Th）的颜色为银白色，在空气中氧化为暗红色。
粉末状金属钍在空气中可燃，但块状钍性质稳定。
金属钍具有良好的可塑性和延展性，且易于锻造。
天然钍只有钍232，它具有α粒子放射性，半衰期为1.39×1010年。
钍的主要来源为磷酸盐稀土矿——独居石，其中磷酸钍含量最高达12%，平均为6%～7%。
据估计，全世界钍的储量为铀的3～4倍。
我国内蒙古自治区白云鄂博市的钍矿储量为22.1万t；全国钍矿储量为28.6万t，仅次于世界第一的印度（储量为34.3万t），约为铀矿储量的6倍。
由于天然钍带有放射性，故它既是潜在的核能资源，又属于放射源，因此需要充分注意以防止其污染环境。
钍增殖反应堆使用低能量的热中子，所以，它比铀-钚燃料循环（需要难于处理的快中子）增殖反应堆安全得多。
钍燃料循环反应堆具有安全性高、燃料长期充裕以及无需昂贵的燃料浓缩设施等优点。
钍作为熔盐反应堆燃料使用后，只留下极少量的废料，而且这些废料只需要贮存几百年。
相比之下，其他核副产品则要贮存几十万年。
钍还是少数几种可作热增殖堆燃料的物质之一，理论上在分裂维系无穷高温连锁反应的同时会产生足够多的新燃料。
熔盐反应堆运行安全性及控制研究
熔盐反应堆运行安全性及控制研究1. 引言熔盐反应堆作为一种新型的核能利用方式，具有一系列的优势，如高热效率、燃料利用率高、相比传统堆芯材料组件更安全等，因此越来越受到国内外学者和产业界的关注和重视。
但是由于熔盐反应堆的特殊性质和操作过程的复杂性，其安全性和控制问题一直是研究的热点和难点。
本篇文章将重点探讨熔盐反应堆运行的安全性及其控制研究。
2. 熔盐反应堆工作原理熔盐反应堆采用熔融盐作为燃料载体，通常分为两种类型，一种是熔盐冷却剂反应堆(MSRE)，另一种是熔盐快堆(MSFR)。
MSRE是一种热中子反应堆，采用氟化物盐类作为燃料载体，并采用氦气作为冷却剂，其主要反应为:Li7+2n->2He4+TMSFR则是一种快中子反应堆，采用氯化钠或氯化钾等盐类作为燃料载体，并采用熔融的钾或钠作为冷却剂，其主要反应为: 238U+n->239U->239Np->239Pu，239Pu同样参与反应，并在反应过程中不断释放能量。
3. 熔盐反应堆安全性问题与传统堆不同的是，熔盐反应堆采用的是一种“液态核燃料”，虽然具有许多优点，但是也存在安全隐患。
以下就是主要的几个方面：3.1 盐的腐蚀性熔盐具有很强的腐蚀能力，会腐蚀容器内壁和燃料棒等材料，导致泄漏的风险增加。
3.2 冷却剂泄漏与传统堆相比，熔盐反应堆采用的是液态冷却剂，一旦冷却剂泄漏，容易导致核反应堆的剧烈反应和爆炸，如何有效地控制核反应堆的温度及反应强度，是目前亟待解决的问题。
3.3 燃料转移技术由于熔盐反应堆采用的是液态燃料，而且不断进行核反应，因此燃料的转移是一项很关键的技术。
当前，我们需要精益求精，对熔盐流，包括盐量、速率、浓度分布等进行精细控制。
4. 熔盐反应堆控制研究熔盐反应堆的特殊性质和较为复杂的操作过程，给其控制的难度带来了巨大的挑战。
当前研究主要集中在三个方面：4.1 温度控制熔盐反应堆的温度控制是关键的一步。
冷却剂的流动都是由外部流体机械力推动的，因此为了保障反应堆的效率和安全性，需要进行温度控制，对熔盐反应堆燃料的温度、流速等进行精细控制。
熔盐堆技术很好,不应再被束之高阁
熔盐堆技术很好，不应再被“束之高阁”[加] 大卫莱布兰克May 2010一个被搁臵40年的反应堆设计，听起来并不像很有潜力的技术。
但熔盐堆（MSR）确实能兑现核电从前曾承诺的提供廉价、无限能源的诺言。
橡树岭国家实验室技术人员正在熔盐堆实验装臵的石墨堆芯上工作事后看来，核动力飞机的想法似乎有些疯狂。
但1940－1950年代美国空军将领们却认为它是应对冷战困境的答案：携带原子弹的飞机不得不每隔几小时停下来加油，怎能有24小时全天侯的核威慑力量？由于担心苏联轰炸机偷袭会摧毁美国的反击能力，因而提出了首次核打击的概念。
空军将领们相信，核动力轰炸机将是终极威慑力量。
这种飞机可以持续停留在空中，就能在北极上空盘旋等待攻击命令。
轰炸机上乘务人员的生活大致像核潜艇上的人员，随时待命。
NB-36圣骑士核动力轰炸机试飞，在轰炸舱后载带着3000千瓦的水冷堆（环乘务舱的屏蔽重12吨）。
机上的反应堆没有与发动机相连—飞机是用常规燃料作动力的—反应堆放在那里只是为了检验如何运行飞行中的反应堆。
1950年代，NB-36安排了许多次载带运行核反应堆的飞行，乘务人员在铅屏蔽驾驶舱内显而易见，反应堆越小、越简单越好。
就像美国海军核潜艇舰队选定压水堆，空军的研究计划发展了自己的反应堆设计—一种很优雅的技术。
这种技术可以成为一个完全不同的核动力工业的基础。
然而，核飞机计划取消了。
随着洲际弹道导弹的出现，核飞机的论据遭淘汰。
除了两个实验反应堆在40年前被封存外，飞行反应堆研究期间所发明的优雅解决方案也从未被充分试验。
实在可惜，因为开发的这种理念—熔盐堆—有许多超过常规反应堆设计的明显优势。
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。
它可以使用不同的燃料,甚至能焚烧其它反应堆产生的超铀元素废物。
更有魅力的是，熔盐堆能设计成自己增殖燃料而无需场外处理。
随着核电兴趣的回暖—即所谓的核复兴—现在是提问的好时机：我们是否需要翻版建造更多的旧反应堆设计？熔盐堆看上去大概像个古怪的技术，在陌生的旅途中一直默默无闻，但如给个公正的听证，熔盐堆的机会就会“指日可待”。
熔盐反应堆技术的研究与应用
熔盐反应堆技术的研究与应用随着人类科学技术的飞速发展，能源问题成为了一个亟待解决的大问题。
传统燃煤、燃气等化石能源的使用不仅污染环境、产生二氧化碳等有害气体，还有季节性和区域性的能源短缺问题。
因此，新型环保、高效、非化石能源的研究和应用愈加受到人们的关注。
熔盐反应堆技术就是其中一种备受关注的新型能源技术。
一、研究背景熔盐反应堆（Molten Salt Reactor，简称MSR）技术于20世纪50年代初提出，是一种基于熔盐的核裂变反应的新型反应堆。
这项技术的最初目的是用于生产可用于研究的同位素。
后来，由于熔盐反应堆技术具有高效、自动监测、节能、环保等特点，成为了人们研究和应用自然能源的热点和前沿领域。
熔盐反应堆技术的主要优势在于，它采用熔融态燃料，相较于传统的固态燃料，能够更充分地利用铀等核燃料，从而控制温度，提高效率，并且可以更容易地控制反应堆的核反应速率，降低反应堆的崩毁风险。
熔盐反应堆技术还具有一定的核废料消耗量，可以有效消耗放射性核废料。
二、技术原理熔盐反应堆技术的核心部件是熔盐反应堆核心区域，其中包含了熔盐储存罐、燃料循环系统、熔盐冷却剂循环系统、反应堆堆脚和稳定系统等核心部件。
熔盐反应堆技术工作原理是将液态燃料铀、钍和钽等放入熔盐堆中，通过核裂变反应产生的热能加热熔盐，形成高温高压的热态核反应状态，从而使熔盐反应堆产生电能。
同时，熔盐反应堆还有一套完善的热交换系统，可以通过热交换器，从反应堆中取热，对熔盐进行循环冷却，并将冷却后的熔盐输送回反应堆，完成反应堆的热能循环利用。
三、应用前景随着人们对环境保护和绿色发展的关注，更加高效、安全和环保的能源技术成为了人们共同追求的目标。
作为一项新兴技术，熔盐反应堆技术的应用前景看好。
首先，熔盐反应堆技术可以为人类提供廉价、清洁和高效的能源，大大减少碳排放并减缓气候变化。
其次，熔盐反应堆技术具有适用性广、可靠性高等优点，可以广泛应用于民用、工业和军用领域。
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第29卷,总第169期2011年9月,第5期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol 129,Sum 1No 1169Sep 12011,No 15熔盐堆的双流设计改进韩 东,王文林(哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室,黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要:熔盐堆(MSR)是六种第四代反应堆中唯一的液体燃料反应堆,在很多方面具有其它反应堆无法比拟的优点。
相对于传统的单流熔盐堆设计,一个重大的有前途的变化就是回归到了橡树岭实验室曾经为绝大多数熔盐堆而提出双流设计模型,通过对反应堆活性区设计的改进,解决所谓的/管道问题0,使熔盐堆双流设计的各种优势得以实现。
关键词:核能;熔盐堆;双流设计;改进;管道问题中图分类号:TL426 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2011)05-0442-04Two Fluid Design Improvement of Molten Salt ReactorsHAN Dong,WANG Wen -lin(Key Discipline Laboratory of Nuclear Safety and Simulation Technology,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)Abstract:The molten salt reactor (MSR)is the only liquid fuels reactor in the six candidates of the Gen 2eration Ⅳadvanced nuclear reactor,which is characterized by remarkable advantages in many ways.A major potential change to the traditional Single Fluid,MSBR design and a subject of this presentation is a return to the mode of operation that ORNL proposed for the majority of its MSR program -the Two Fluid design.Through the improvement of core,this article aims to solve so -called /plumbing problem 0and to enable the many advantages of the Two Fluid design.Key words:nuclear energy;molten salt reactors;two fluid design;improvement;plumbing problem收稿日期 2011-05-04 修订稿日期 2011-06-25作者简介:韩东(1980~),男,硕士研究生。
0 引言日本福岛核电站因海啸引发的灾难,并联系到前苏联切尔诺贝利、美国三哩岛也曾经出现的这类核事故,使人们对核能的安全性缺失了信心。
但随着地球上有限的化石能源在加速地消耗,核能又有其显著的不可替代的优点。
本世纪初,美国政府推动/第四代0核能开发,熔盐堆作为6种第四代反应堆堆型中唯一的液体燃料反应堆,被/第四代国际论坛0(GIF)选中,推荐为待开发的系统之一,开始受到全世界的关注。
对此,中国科学院表示已经选择了/钍基熔盐反应堆系统0。
由于熔盐堆在大气压下运转,故只需要低压容器。
没有水和钠的存在意味着不会发生在日本福岛核电站看到的那种氢气爆炸,也不会有辐射释放出来。
没有石墨作为慢化剂的设计中甚至没有可燃的材料。
在固有安全性方面,熔盐堆采用高温熔盐作核燃料,兼作载热剂,不需专门制作燃料组件,从设计上避免了严重事故,例如,堆芯融化事故的发生,即使堆芯丧失冷却剂,也不会造成反应堆的严重后果。
熔盐的低蒸汽压减少了破口事故的发生,即便#442#发生破口事故,高温的熔盐在环境温度下也会迅速凝固,防止事故进一步扩展。
在一个熔盐反应堆中,易裂变和可转化为可裂变物质的例如UF 4、PuF 3、ThF 4等元素的氟化物与载体盐结合形成液态。
单流设计中把易裂变元素和可转化为可裂变物的元素混合在同一种熔盐中,图1为20世纪70年代的单流石墨减速熔盐增殖反应堆示意图,然而双流设计为易裂变的元素与可转化为可裂变物的元素分别提供了熔盐。
理论上,双流反应堆设计方案可以将增殖钍与裂变燃料盐分开。
这可以消除以高温蒸馏进行的氟化钍(沸点1680e )与镧系裂变产物氟盐分离带来的技术挑战,其代价是反应堆结构更为复杂。
橡树岭实验室当时放弃了双流设计方案,原因在于没有适于运行在熔盐堆堆芯的高温、高中子及腐蚀环境的管道材料。
图1 单流石墨减速熔盐增殖反应堆示意图1 研究历史及背景熔盐反应堆的发展历程的初始阶段是为了支持美国空军航空航天器反应器项目,橡树岭实验室有限的研究也只一直持续到1980年前后,当时更侧重于最大化防扩散能力。
这些研究发现,相同基础的单流设计,可作为简单的转换堆,使用低浓铀和钍,非常出色地运转。
然而,在20世纪70年代,由于种种原因,人们在政治上的争论超过了在技术方面。
美国原子能委员会下令停止了熔盐堆项目。
几十年前的概念几乎靠口耳相传地存活下来,也只有少数国家如法国、俄罗斯和捷克现在有缓慢的计划,其它许多国家还有一些小规模的研究。
直到2002年,熔盐反应堆被选为第四代反应堆六模型之一,突然间,这个几乎被遗忘的技术成了热门研究课题。
在熔盐堆双流方案被研发的时代,这个设计的弱点在于已知设计中复杂的管道工程,以及当时没有合适的管道材料。
通常的钢镍合金或是吸收过多的中子,或是极易被腐蚀。
石墨被认为过于脆,并且在强烈的中子辐照下会轻微地膨胀。
其间的管道腐蚀问题通过在哈斯特洛合金-N 中添加示踪级的钛而得到解决。
双流方案中的钍盐和铀盐通过工程师仔细地设计慢化棒的形状(使堆芯与增殖层的中子密度相似),并调整燃料后处理的化学工艺,便可以在更简单、造价更低廉但仍然有效的单流反应堆中共存。
采用简单的球体内包含球体的结构,如(图2)中描绘的那样有两个部分。
一个中心熔盐核心区装有易裂变和可增殖材料,这一部分被含有ThF 4的熔盐包围。
7Li -BeF 2载体盐有一定的对中子进行慢化的能力。
两个部分之间使用哈斯特洛镍基合金-N 做隔层。
后来的几年里人们发现,这样的设计使得寿期非常有限,因为在镍和硼反应中产生的污染物中会发生氦脆化。
到1960年的时候,人们发现石墨跟熔盐可以相互作用,并且能够更有效地对中子进行慢化,同时也为降低可裂变启动负载提供了潜在的可能。
在核心区使用石墨也让橡树岭实验室的研究人员看到采用双流模式的希望。
双流设计将载有233UF4的燃料盐和载有ThF 4的熔盐分开。
当233U 在再生区里产生后,通过氟化作用可以将它转移到燃料盐当中,UF 4转化成可挥发的UF 6。
气态的UF 6被收集并转化回UF 4,这个过程是在它进入盐里之前通过一个预先设置好的装置实现的。
#443#图2 橡树岭实验室熔盐堆设计的双区概念示意图双流模式的主要优势之一就是在不使用钍的情况下,从燃料盐当中加工出裂变物的过程被大大简化了。
另外,通过使用一个体积相对大的容器装载再生区的盐,可以对中子进行有效稀释,流失到233Pa 的中子可以达到最小量,同时,中子通量也相应减少。
233Pa 是一个活性期为27天的中能物质,它产生后,通过吸收232Th 中的中子,衰变为233U 。
因此,双流设计不需要复杂的过程使镤转化以衰变为233U 。
橡树岭实验室在他们的双流装置中的确经常对镤进行转化,但目的是稍微提高再生率(从1.05到1107)。
当时人们转化镤跟今天人们这样做的目的是截然不同的,就算不这么做也不会有什么巨大的经济利益产生。
在这个新概念中,在内部使用石墨将燃料盐跟再生区的盐分开,如(图3)中显示的那样。
然而,这种使用石墨敷设上百根管道的方法非常具有挑战性,因为任何一支管道的破裂都意味着必须把整个核心区和容器槽换掉,因为整个装置结构太复杂了。
图3内嵌式石墨管道混合式双流熔盐反应堆设计示意图图4 圆柱体模式的双流核心区的示意图在中子快速流动的情况下,石墨会先收缩然后再膨胀,这样就会减少石墨寿期。
橡树岭实验室采用了相当高的功率密度,这使得石墨在达到流量峰值3@1022n /cm 2(E >50keV)之前寿期长达四年。
另外一个比较棘手的问题是,石墨的收缩和膨胀会影响核心区内燃料盐和再生区盐的比例的变动。
橡树岭实验室一直坚持这种复杂的结构直到60年代末,尽管的确存在所谓的/管道问题0。
2 解决双流设计装置的管道问题液态燃料反应器装置一般都使用两个区,一个核心区和一个可转化为裂变物的转化区。
对233U -Th 周期而言,核心区可能含有233U 和钍的混合物,或者只有233U 。
橡树岭用/一个半液流0和/双流0来区分二者。
所谓/一个半液流0,即一种混合熔盐堆设计,含铀和钍的燃料盐被再生盐环绕,再生盐俘获堆芯泄漏的中子。
在熔盐堆发展的早期,双流设计优势就已显现了出来。
如果核心区缺少钍的话,对裂变产物进行处理相对容易。
但是在只有可裂变盐的核心区,如果将可裂变物也保持很高的浓度来限制中子向载体盐和石墨流失的话,临界直径必须得非常小。
这样功率密度受到限制,如此一个小的核心区(1m 左右)会有一个非常有限的功率值。
橡树岭的结论是使用管道系统来混合核心区内的双流。
然而事实上这无法实现。
后来卡尔顿大学物理研究员大卫.莱布兰克提出的新的解决方法非常简单。
为了将中子泄漏量最小化,传统的核心区一般都造成球状或短圆柱状。
如果双流装置有一个包围层的话,就不存在泄漏的问题了。
所以,解决办法就是改变核心区的几何形状以加大功率生产的同时保留必要的小临界直径。
对于同一种盐和石墨的结合,一个长圆柱将会有一个接近于一个球面77%的临界直径。
如果具体地把可裂变浓缩物、石墨都考虑进去,球面的临界直径应为1m,这时长圆柱体的临界直径应为0.77m 。
使用一个被拉长的圆柱体的优点是不需要进行混合,而只是把圆柱体拉长,总功率就会实现。
这种结构需要在核心区和隔离区之间设置一个屏障,这比橡树岭的双流装置中的内置管道和使用隔离盐的方#444#法简单多了。
至于这个柱形核心区的两端,可以将两端制成锥状,形成一个次临界直径,但依旧被隔离盐包围着。
请见(图4),这个结构会减少中子泄露。
跟所有的双流设计一样,这样的设计有一个很强的负温度系数。
在从内部分隔双流装置方面,橡树岭的设计取得的一个重大的改进就是隔离层的系数也是负的。