中国钍熔融盐核反应堆研究和发展

中国钍熔融盐核反应堆研究和发展收藏本帖回复主题前不久看到英国《每日邮报》一则报导说：“中国制造钍核电池，将助“嫦娥4号”探月，上天入海显神通……目前，中国科学家们已经在“银基发展”即中国最大的钍金属资源公司，开发制造利用钍代替铀作为新型核燃料的钍核电池技术，钍核电池高科技产品被列入中国重点火炬与星火计划、中国重点新产品计划和中国高新能源技术产业化推进项目，为解决人类未来的能源需求，人类研究应用铀和钚的核电技术已经有六七十年了，虽然钚核电相对于煤电有其不可替代的优点，但是安全性和核废料的处置两大问题一直引起广泛关注”。这条新闻来自国外，给人感觉有点距离远一点，这不由得使人们又回想起两年前，也就是2011年初，中科院副院长李家洋宣布计划用二十年左右的时间研发钍基熔盐堆核能系统，这条消息引起世界上广泛的注意。李家洋表示，目前国内已探明的铀矿储量比较有限，中科院正在重点研发采用钍元素进行裂变的核电技术，这将有助于解决国内核能发电的原材料瓶颈问题。钍基熔盐核反应堆是一种什么核反应堆？我们先说一件往事，二战结束后，美国与前苏联因意识形态的巨大差别，不到十年分别成立北约和华约两大军事集团对立的组织。美国与前苏联两国也由最初的暗斗趋于明朗化。1954年美国的第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号下水之后，核动力反应堆成功地用于舰船的技术经验，使得美国不由的提出一项雄心雄心勃勃计划，要研制一种不烧航空煤油，加一次燃料可用几年甚至十几年的轰炸机。但是这种核动力的燃料如果仍然要用铀来作核燃料，显然是不合适的，因为用铀作为核燃料的反应堆无论从制造上还是工艺上都太复杂，无论把核反应堆怎样缩小，也放不进一架轰炸机的肚子里去，换话说一架轰炸造得如何大，也大不到一艘潜艇程度。于是美国人就不得别另辟新路，寻找新的核材料，这种核材料必须满足三个基本条件：一是能为飞机引擎提供足够高的功率密度，要能推动满载五十吨左右的轰炸机，比如空中保垒B29轰炸机；二是在制造上能使核反应堆做得可大可小，做得大将来可用于舰船，做的小可用于飞机；三是制造工艺上要相对铀燃料反应堆简单得多，能方便在线添加燃料并可方便在线维护。经过多种核材料的筛选，最后选择了熔融氟盐这种材料。作为核反应堆的核燃料。这项计划促成几个实验，其中三个称为热转移实验堆称为HTRE-1，HTRE-2和HTRE-3，其中一个实验就是用熔融氟盐作反应堆燃料，运行了1000个小时，后来因为用熔融盐作燃料的反应堆无论在哪方面都达不到理想的功函数，这项研究在1954年运行了1000个小时后就终止了。但这也将为后来世界研究钍作为燃料的开始。这里先要说一下钍这种重金属元素，这元素大量存在于地壳表层，在花岗岩，沙石，土壤都有这元素就目前我国初步探明的钍储量28万吨居世界第二位（印度储量34万吨，居第一位）。这元素本身它不发生任何裂变，只产生很微弱的放射性射线（原始钍232），只有通过外界用放射性元素比如用低浓度铀233的中子去轰击它，钍元素吸收了一个中子之后就转变为钍233，此时钍就有了放射性了，钍233再经过丙次衰变就转变成了铀233，而铀233就是能产生核裂变的核燃料，大致这个过程。钍232还有特征，那就是中子轰击一旦终止了，那么钍232也就不会转变成钍233了，于是链式裂变也就终止了。这有点象汽车点火器的火花塞，一旦火花塞熄火了于是发动机也不再工作了。这种特征对反应堆好处就是一旦发生意外故障时，只要终止对钍轰击那么可保证反应堆安全。钍基熔盐核反应堆就是用钍为核燃料，以熔融盐（液态氟化物）为冷却剂，以石墨为中子慢化剂的核反应堆，实际上这也是一种增殖式核反应堆，因为钍每吸收一个中子立刻要产生二到三个中子远大于铀235裂变。由于用熔融盐做冷却剂所以可以把温度提到很高约800度（熔融盐沸点为1400度）这样一方面可以尽可能地充分地燃烧核料，另一方面可以极大地提高汽轮发电机或汽轮推进机的输出功率，由于熔融盐沸点很高，所以就不用考虑高压供给问题，在正常大气压下完全就可以工作了。因此在制造核反应堆外壳和管路时，只需考材料的耐高温性能就行了，而这种材料较容易做到（普通钢材都可承受700－1000度），而耐压指标只需做通常的考虑就行了，这样反应堆外壳体积就可以大幅度降低。因此这种核反应堆可以做的很大，也可能做的很小巧。六十年代中期美国橡树岭国家实验室开始了钍基熔融盐反应堆研究计划，但是当时正是处于美苏争霸世界的冷战时期，核弹、导弹、太空竞赛如火如荼，而虽然能钍作为核反应堆燃料，却不能用来作为于核武器的核爆材料。出于当时的国际政治形势美国政府希望把钱能更多用于具有威慑力的武器研究领域，所以这项研究计划到了1976年美国政府也不再拨款，从此钍作为核燃料的研究也逐渐退出人们的视线。前苏联对钍作核材料的研究也差不多，前苏联在与美国的太空竞赛中走上另一条路，研制出来世界上首台超小型核反应堆（空间等离子核反应堆），这种反应堆主要特征，是把核燃材料产生的热能直接转换成电能，并直接给设备供电,，后来把等离子核反应堆装到卫星上去了。于是出现世界上首个带核反应堆供电的卫星。在种情况下也基本终止了钍核反应堆的研究。由于受到美苏冷战的影响，西方国家都相继放弃对钍核反应堆研究然而当大家都不看好钍作为核反应堆燃料的形势下，有一个国家始终没有放弃没对钍作为核为燃料的反应堆的研究，这个国家就是印度。印度跟中国一样也是一个贫铀矿国家，长期以来印度的工业发展始终受到用电不足的困扰，以致于这个困扰一直到现都没有能很好地解决。印度人坚持认为只有大量采用核发电才彻底破解印度用电的局，才大幅度提度工业生产效率，但是印度贫铀这个问题制约了印度的信心，以印度的贫铀状况，又想用铀来研发核武器又想用开发核能用电，这是根本不可能的。而钍的出现，作为核反应堆的核燃料，正好给印度提供破解核能发电的机遇。加上印度当年整体国际环境比中国宽松得多。印度一直在探索经过三四十年研究，他们也确实在钍核材料方面取得不少研究成果。但是印度在核技术领域较西方国家和中国落后得多，所以虽然研究的时间虽然不短，但进展却不是很理想。长期以来中国一直被认为是一个贫铀矿的国家，一种情况一直到2012才有了根本性改变，2012年5月国土资源宣布，中国在内蒙古中部大营地区发现一座国内最大规模世界级铀矿，这一发现打破我国没有世界级大铀矿的局面。而新发现的铀矿是“可地浸沙岩型”铀矿，这是专业术语，意思就是说这种类铀矿处于渗透性好的沙岩层的铀矿，这种铀矿质量好，品味中等，粹取率很高且易于加工（粹取率0.02－0.2）。，这样中国的铀由原来的不足7吨一跃到17.7吨这个消息着实让人兴奋不已，但这个情况2011年李家洋宣布中国启动研发钍基熔核反应堆计划时还没出现。中国对钍核反应堆的研究起步上世纪九十年代初期，起步虽然晚了一点，但是中国由在核领域和核技术研究基本是处于国际领先的水平，加上国家加大了资金投入的力度，进展势头非常快，在十多年内中国就在钍核反堆研究取许多重大技术突破。发展到现在，中国钍熔融盐反应堆主要向两个方向深入发展，一个是大力发展核能发电钍熔融盐核反堆，一个是向钍熔融盐小型化发展，最新的研究着眼于高温-低压主冷却回路的实际优势。许多现代设计方案采用陶瓷燃料在石墨基质中均匀分布，熔盐则提供低压、高温的冷却方式。熔盐能更有效地将热量带出堆芯，从而降低对泵、管道以及堆芯尺寸的要求，使得这些元件的尺寸缩小。在小尺寸、2至8MW热功率或1至3MW电功率时依然可行。可以设计成潜艇或飞行器所需要的尺寸。可以在60秒之内对负载变化作出反应（与“传统的”固体燃料核电站不同）。中国以钍为燃料的核反应堆研究目前已经取得许许多多令人非常振奋科研成果研究和技术创新能力都达到世界一流先进水平。