[科普中國]-熔鹽燃料

定義

熔鹽燃料流過堆芯石墨通道，產(chǎn)生超熱中子譜。MSR系統(tǒng)的液體燃料不需要制造燃料元件，并允許添加钚這樣的錒系元素。錒系元素和大多數(shù)裂變產(chǎn)物在液態(tài)冷卻劑中會形成氟化物。熔融的氟鹽具有很好的傳熱特性，可降低對壓力容器和管道的壓力。

熔鹽燃料的選擇在含鈾的化合物中，氯化物的混合物和氟化物的混合物熔點(diǎn)都比較低。然而，應(yīng)用于熱中子反應(yīng)堆，傾向于采用氟化物，因?yàn)樗上率鲆恍﹥?yōu)點(diǎn)：可以減少中子損失；有更好的慢化性能；有更好的化學(xué)穩(wěn)定性；蒸汽壓較低；傳熱性能和輻照性能都很好；遇水和空氣不起劇烈反應(yīng)；與一些常用金屬結(jié)構(gòu)材料不起化學(xué)反應(yīng)。2

三氟化物在高溫下，或者在與其它氟化物共存的條件下，發(fā)生向四氟化鈾和鈾方面轉(zhuǎn)變的歧化反應(yīng)。在這個(gè)反應(yīng)中，游離出來的鈾對石墨慢化劑和燃料容器合金有腐蝕作用。因此，三氟化鈾的量太多了是不行的。釷的氟化物只有四氟化釷。無論是四氟化鈾還是四氟化釷，在單獨(dú)存在時(shí)，熔點(diǎn)都在1000℃以上，但與用作燃料溶劑的氟化物鹽混合，熔點(diǎn)就下降了。作為四氟化鈾和四氟化釷溶劑的氟化物，所含的金屬元素按熱中子吸收截面從小到大依次排列為鈹、鉍、鋰、鉛、鋯。鋰是使用同位素鋰-7。天然鋰中含有92.5%的鋰-7，所以很容易分離出鋰-7。鉍的氟化物強(qiáng)烈腐蝕結(jié)構(gòu)材料，因此沒有使用。鈹以(n，a)反應(yīng)生成鋰-6，這是個(gè)問題。多種金屬的氟化物組成的混合物，對四氟化鈾的溶解度是相當(dāng)大的，這點(diǎn)很重要。因此，能夠進(jìn)行具有一定裕量的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。得出在熱中子堆的情況下，氟化物熔鹽燃料比上述鉍金屬燃料優(yōu)越得多的結(jié)論，這點(diǎn)是第一個(gè)根據(jù)。從上述可知，熔鹽燃料的選擇所考慮的方面和存在的問題等是和固體燃料不同的。

熔鹽燃料的發(fā)展發(fā)展熔鹽燃料的大部分精力都是放在研究結(jié)構(gòu)材料的腐蝕和防腐蝕方面。根據(jù)研究結(jié)果發(fā)展了所謂伊諾-8(INOR-8)合金。它是含有17%鉬、7%鉻和5%鐵的鎳基合金。以后發(fā)展成為哈斯特洛伊-N合金，它在650℃的熔鹽中能夠滿足長期使用的要求。石墨的輻照效應(yīng)也是重要的問題。因?yàn)樵谌埯}燃料反應(yīng)堆中，今后也考慮用石墨作為慢化劑，因此，中子輻照引起的石墨尺寸變化的測定工作現(xiàn)在還在繼續(xù)進(jìn)行。1

應(yīng)用案例由于單純的四氟化鈾（UF4）熔點(diǎn)較高（1035℃），而且如果使用高濃鈾，在多數(shù)熱中子反應(yīng)堆中也不需要這么高濃度的燃料，因此必須加進(jìn)一些其他氟化物以得到較低的共融點(diǎn)和合適的燃料濃度。在這些氟化物中以氟化鈹（BeF2）的核性能最好，但它的粘性很大，流動(dòng)性差。加進(jìn)一定量的氟化鋰（LiF）或氟化鈉可以降低共融物的的粘性。

在美國熔鹽反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)裝置(MSRE)中用的燃料是LiF-BeF2-ZrF4-UF4體系。在熔鹽增殖反應(yīng)堆(MSBR)設(shè)計(jì)中，雙流體堆是以LiF-BeF2-UF4為燃料，LiF-BeF2-ThF4為增殖鹽，單流體堆曾研究過四種不同比例的LiF-BeF2-ThF4-UF4體系。2