[科普中國]-TMSR核能系統(tǒng)

簡介

TMSR核能系統(tǒng)項目是中科院先導(dǎo)科技專項之一，其戰(zhàn)略性目標(biāo)是研發(fā)第四代裂變反應(yīng)堆核能系統(tǒng)(TMSR核能系統(tǒng)) TMSR核能系統(tǒng)包括:釷鈾核燃料的制備、熔鹽反應(yīng)堆、釷基熔鹽堆燃料(廢料)的后處理。計劃通過20年左右的研究工作，解決釷鈾燃料循環(huán)和釷基熔鹽堆相關(guān)重大技術(shù)挑戰(zhàn)，研制出工業(yè)示范級TMSR，實現(xiàn)針資源的有效使用和核能的綜合利用。該項目分為3個階段:2011-2015年為起步階段;2016-2020年為突破階段;2020-2030年為發(fā)展階段，解決相關(guān)的科學(xué)問題，發(fā)展和掌握相關(guān)的核心技術(shù)，建成工業(yè)示范釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)2。

TMSR核能系統(tǒng)近期(至2020年之前)的科技目標(biāo)由兩部分組成。一是建成2MW釷基熔鹽實驗堆，掌握相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)將分別建成:2MW固態(tài)釷基熔鹽堆(也稱為釷基球床型氟鹽冷卻高溫堆Th-U pebble-bed FHR)，實現(xiàn)改進的開環(huán)模式下的釷鈾燃料循環(huán);2MW液態(tài)釷基熔鹽堆(Th-UMSR)，實現(xiàn)完全閉式的釷鈾燃料循環(huán)。二是形成支撐未來TMSR核能系統(tǒng)發(fā)展的若干技術(shù)研發(fā)能力(包括研究條件、關(guān)鍵技術(shù)和科技隊伍):TMSR設(shè)計和研發(fā)能力，熔鹽制備技術(shù)和回路技術(shù)研發(fā)能力，釷鈾燃料的前道技術(shù)與后道技術(shù)研發(fā)能力，熔鹽堆用高溫材料的研發(fā)能力，熔鹽堆安全規(guī)范制定和許可證申辦能力;同時建設(shè)高溫電解制氫、二氧化碳加氫制甲醇、布雷頓循環(huán)前道及太陽能熔鹽集熱傳熱等多用途系統(tǒng)的實驗裝置。

釷基核燃料裂變核能的燃料可分為鈾基和釷基兩類，目前的核電工業(yè)使用的燃料基本都是鈾基核燃料。由于能源需求的高速增長，對核燃料的需求越來越大，使釷基核燃料利用的重要性突顯，開發(fā)利用儲量大于鈾基核燃料的釷基核燃料越來越受到關(guān)注釷基核燃料中的釷類似于鈾一，首先要通過轉(zhuǎn)換或增殖才能作為裂變核能的燃料使用。人類嘗試過的使用釷基核燃料的反應(yīng)堆有輕水堆、重水堆和球床式高溫氣冷堆，刀使用釷基核燃料與使用鈾基核燃料在技術(shù)上有相似之處，但不完全相同，具有一些獨特的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)1。

釷基核燃料和鈾基核燃料利用的工作模式有開環(huán)模式和閉環(huán)模式。開環(huán)又稱一次通過，目前核能工業(yè)中的核燃料均采用開環(huán)模式，核燃料的利用率約為1 %-2%。閉環(huán)(閉式循環(huán))又稱核燃料再循環(huán)，是通過乏燃料(使用過的核燃料)、核燃料的再制備和進堆使用，實現(xiàn)多次重復(fù)核燃料循環(huán)過程，理論上閉環(huán)模式下核燃料利用率約60核燃料不進行或部分進行后處理，實現(xiàn)多次使用是介于兩者之間的工作模式，稱為改進的開環(huán)模式，通過不停堆換料技術(shù)實現(xiàn)核燃料的深度燃耗，如球床氣冷堆和重水堆，均可大幅度提高核燃料的利用率(理論估計約為5%-10%)。

熔鹽堆熔鹽堆是將核燃料融在用作冷卻劑的液態(tài)氟化鹽中的一種液態(tài)燃料堆。液態(tài)氟化鹽既用作冷卻劑，也用作核燃料的載體當(dāng)冷卻劑流出反應(yīng)堆芯時，可以利用干法分離技術(shù)(將乏燃料融于液態(tài)熔鹽中，利用電化學(xué)等方式進行元素分離)實現(xiàn)同位素(包括增殖產(chǎn)物和裂變產(chǎn)物)的在線分離(或原位離線分離)。

熔鹽堆的概念在上世紀(jì)末和本世紀(jì)初受到科學(xué)界新的重視不僅被選為第四代反應(yīng)堆的6個候選堆型(日本的Fuji-MSR, )，而且在傳統(tǒng)的熔鹽堆基礎(chǔ)上發(fā)展出多種不同的設(shè)計，以用于不同的目的。熔鹽堆可設(shè)計成熱中子堆，也可設(shè)計成快中子堆;專用于釷基核燃料循環(huán)的熔鹽堆也稱之為釷基熔鹽堆(或液態(tài)釷基熔鹽堆);加速器驅(qū)動次臨界堆技術(shù)的應(yīng)用有可能降低在線分離的難度。這些設(shè)計包括法國的MSFR、俄羅斯的MOSART等。

核能的非電應(yīng)用，就是將反應(yīng)堆產(chǎn)生的高溫?zé)嶂苯佑糜谄渌I(yè)系統(tǒng)(如開采頁巖油)。核能的非電應(yīng)用極大地擴大了核能的應(yīng)用范疇，特別是通過高溫制氫，使其可以與傳統(tǒng)的化石能源結(jié)合，有助于大幅度減少二氧化碳的排放。甲醇經(jīng)濟是這種結(jié)合的一個理想模式熔鹽堆良好的高溫特性使其成為核能非電應(yīng)用主要候選者之一，F(xiàn)HRS的發(fā)展驅(qū)動力也正是核能的非電應(yīng)用3。

總結(jié)在目前流行的固態(tài)燃料反應(yīng)堆中，釷基核燃料大多只能采用一次通過的開環(huán)模式，核燃料的利用率有限。熔鹽堆加上干法在線分離技術(shù)有可能實現(xiàn)釷基核燃料的閉環(huán)工作模式。而改進的開環(huán)模式則可以作為開環(huán)模式向閉環(huán)模式過渡的一種中間工作狀態(tài)。以球床型氟鹽冷卻高溫堆作為釷鈾燃料循環(huán)的起步，同時還可以兼顧核能的非電應(yīng)用。采取“二步走”戰(zhàn)略發(fā)展釷鈾核燃料循環(huán)技術(shù)，即從改進的開環(huán)(固態(tài)釷基熔鹽堆)到完全閉環(huán)(液態(tài)釷基熔堆)，同時兼顧核能的非電應(yīng)用是本專項的基本技術(shù)路線圖1。