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熔鹽反應爐

以熔盐为主要冷却剂或燃料的一类核裂变反应

熔鹽反應爐（英語：molten salt reactor, MSR）是核分裂反應堆的一種，屬於第四代反應堆，其主冷卻劑以至燃料本身都是熔鹽混合物，它可以在高溫下工作（可獲得更高的熱效率）時保持低蒸氣壓，進而降低機械應力，提高安全性，並且比熔融鈉冷卻劑活性低。[1] 對第四代反應堆設計的更多研究開始重新引起人們對該技術的興趣，多個國家都有項目，截至2021年9月，中國即將啟動其液態燃料釷基熔鹽實驗堆(TMSR-LF1)[2][3]。

熔鹽反應堆系統圖示
核燃料與冷卻劑都是以液態混和為一體方式存在。

核燃料既可以是固體燃料棒，也可以溶於主冷卻劑中，進而無需製造燃料棒，簡化反應堆結構，使燃耗均勻化，並允許在線燃料後處理。在許多設計方案中以如四氟化鈾等溶於熔融的氟化物鹽為核燃料。爐芯用石墨做慢化劑，熔鹽流體在其中達到臨界。許多現代設計方案採用陶瓷燃料在石墨基質中均勻分佈，熔鹽提供低壓高溫冷卻的形式。熔鹽更有效地將熱量帶出爐芯，減少對泵、管道的需求，並因此而的縮小爐芯的尺寸。

在20世紀50年代這是新構想然而後續種種時代原因被美蘇兩國放棄，其他國家又缺乏預算和技術研發，導致停頓，但隨着新材料工程的出現與時代要求變遷，這一技術重新受到了關注。[4] 美國早期的「飛行器反應堆試驗（英語：Aircraft Reactor Experiment）（1954）」的主要動因在於熔鹽反應堆尺寸小，而「熔鹽反應堆試驗（英語：Molten-Salt Reactor Experiment）（1965-69）」是釷燃料循環（英語：thorium fuel cycle）增殖反應堆核電站的樣機，但最後都沒有再持續發展。

歷史

1950年代

 
橡樹嶺國家實驗室的飛行器反應堆試驗樓，後來它為熔鹽反應爐試驗而改建。

飛行器反應堆試驗

主條目：飛行器反應堆試驗（英語：Aircraft Nuclear Propulsion）

1946年5月28日，美國空軍啟動了「飛機核能推進計劃」(Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft，NEPA)，旨在初步研究核動力飛機的可行性[5]。該計畫也是1951年「核動力飛機計劃」（Aircraft Nuclear Propulsion，ANP）的前身，該計劃需要使用一種小型、高輸出的液體燃料釷反應堆以滿足長時間續航要求[6]。[7]為此美國進行了飛行器反應堆試驗（英語：Aircraft Nuclear Propulsion）（US Aircraft Reactor Experiment，ARE）。

ARE是一個熱功功率2.5MWth的核反應堆試驗，旨在使核反應堆達到可作為核動力轟炸機引擎的高功率密度。該計劃促成了幾個試驗，其中的三個引擎測試實驗統稱為熱轉移反應堆實驗：國家反應堆試驗站（現在的愛達荷國家實驗室）的HTRE-1，HTRE-2和HTRE-3。其中一個實驗用熔融氟化物鹽NaF-ZrF4-UF4（53-41-6mol%）作為燃料，用氧化鈹作為慢化劑，用液態鈉作為第二級冷卻劑，峰值溫度為攝氏860°C。它在1954年以100MW-小時連續運行了超過九天。本實驗的金屬結構和管道採用了鉻鎳鐵600合金。[8]

1960-70年代

熔融鹽釷反應堆試驗

主條目：熔融鹽釷反應堆試驗（英語：Molten-Salt Reactor Experiment）
 
MSRE設備圖示

在20世紀60年代，橡樹嶺國家實驗室在熔鹽反應爐研究中居於領先，並以液態燃料熔鹽實驗堆（英語：Molten-Salt Reactor Experiment）（Molten-Salt Reactor Experiment, MSRE）使其達到頂峰。MSRE是一個熱功功率7.4 MWth的試驗堆，用以模擬固有安全超熱釷增殖堆的中子「核」。MSRE於1965年建成並達到臨界，運行了四年。它測試了鈾和鈈的熔鹽燃料。被測試的235UF4液態燃料有着將廢物減至最少的獨特衰變路徑，廢物同位素的半衰期在50年以下。反應堆攝氏650度的熾熱溫度可以驅動高效熱機——例如燃氣輪機。為了便於中子測量，龐大而昂貴的釷鹽增殖層被略去。MSRE管道、堆芯包殼和結構組件由哈斯特洛合金（英語：Hastelloy）-N製造，其慢化劑是熱解石墨（英語：pyrolytic graphite）。MSRE的燃料是LiF-BeF2-ZrF4-UF4（65-30-5-0.1），石墨堆芯慢化，第二級冷卻劑是FLiBe（2LiF-BeF2）。MSRE溫度達到攝氏650°C，運行時間相當於滿功率運行1.5年。1969年該試驗被美國停止，美國熔鹽反應爐研發中止[9]。

1970代初，中國曾選擇釷基熔鹽反應爐作為發展民用核能的起步點，上海728工程於1971年建成了零功率冷態熔鹽反應爐並達到臨界，但限於中國當時的科技、工業和經濟水平，728工程轉為建設輕水反應堆[10]。

21世紀

由於核聚變發電和其他核電計劃的持續延遲、以及對於產生最小溫室氣體 (GHG) 排放的能源的需求增加，在千禧年時對熔鹽反應爐又重新恢復了興趣[11][12]。

最近的進展

液態鹽甚高溫反應堆

主條目：甚高溫反應堆

截至2010年9月 (2010-09)，利用熔融鹽作為冷卻劑的反應堆方面的研究一直在持續。傳統熔鹽反應爐和甚高溫反應堆（英語：very high temperature reactor）（Very High Temperature Reactor, VHTR）都被視作可能的設計方案納入到第四代反應堆初步研究框架下。當前正在被研究的VHTR版本之一是液態鹽甚高溫反應堆（Liquid Salt Very High Temperature Reactor, LS-VHTR），一般也被稱為先進高溫堆（Advance High Temperature Reactor, AHTR）。[來源請求] 本質上，它是主迴路不採用氦迴路，而採用液態鹽作為冷卻劑的標準VHTR設計方案。它依賴於分佈在石墨中的「TRISO」燃料。早期，AHTR關於石墨的研究集中在六角形石墨慢化塊的插入石墨棒的形式，但如今的研究主要集中在鵝卵石式的燃料形式。[來源請求] LS-VHTR有許多吸引人的特性，包括：在甚高溫度下工作的能力（大部分LS-VHTR所考慮的熔融鹽的沸點都在1400°C以上），低壓冷卻更容易匹配氫氣生產廠條件（多數熱化學循環（英語：thermochemical cycle）要求溫度超過750°C），比相似工作條件下的氦冷VHTR有更好的電能轉換效率，屬於被動安全（英語：passive nuclear safety）系統，以及意外事故中更好的裂變產物保持能力。[13]

液氟釷反應堆

富士反應堆（英語：Fuji Molten Salt Reactor）為一種迷你熔鹽反應爐是電功功率100MWe的熔鹽燃料釷燃料循環熱增殖堆，採用與橡樹嶺國家實驗室反應堆相類似的技術。它由日本、美國和俄羅斯聯合開發。作為一個增殖堆，它將釷轉換為核燃料。作為熱譜反應堆，它的中子調節是固有安全的。與所有熔鹽反應爐一樣，它的堆芯是化學惰性的，工作在低壓條件下，這可以防止爆炸和有毒物釋放。一個全尺寸反應堆有望在20年內被開發出來，[14] 但該計畫似乎缺少資金支持。[15]

中國的釷基熔鹽反應堆研究

2011年，中國科學院啟動釷基熔鹽反應爐核能系統（TMSR）專項研究計劃，由上海應用物理研究所牽頭重啟研發TMSR[16]，目標是用約20年的時間達成在國際上首先實現釷基熔鹽反應爐的應用，並建立相關產業鏈與科研隊伍[9]。2017年4月，甘肅省武威市政府與中國科學院簽訂合作協議，於民勤縣展開釷基熔鹽反應爐核能系統計畫的研究與建設，該計畫總投資220億元，分兩期建設，於2018年9月開工至2021年完工其主體工程：2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆（TMSR-LF1）[9]。2023年6月7日，中國國家核安全局頒發了該計畫的運行許可[17]，准許其進行裝料、調試和試運行[18]。

2023年12月5日，中國江南造船發佈KUN-24AP型24000TEU大型集裝箱船，該船經挪威船級社頒發原則性認可證書，以第四代核電技術釷基熔鹽反應堆，以釷燃料發電作為其動力來源[19]。該反應堆採用中子源轟擊釷-232以使其在β衰變後變成裂變材料鈾-233的核分裂產生反應堆能量，經一、二迴路的氟化鹽作為介質傳導、冷卻熱量，再傳遞給使用純水或者二氧化碳作為介質的三迴路以導出熱量給汽輪機用於發電，再經摩打帶動螺旋槳推進船艦移動[20]。釷基熔鹽反應堆的優勢在於對壓力容器的要求比較低、沒有堆芯熔毀的危險、反應堆產物相對比較安全，缺點在於氟化鹽對於壓力容器和迴路管路的腐蝕性較強[20]。該船型需每15-20年進行一次動力維護[21]。

參見

參考文獻

  1. ^ Williams, Stephen. Molten Salt Reactors: The Future of Green Energy?. ZME Science. 16 January 2015 [18 February 2015]. （原始內容存檔於2016-10-11）. 
  2. ^ Molten Salt Reactors. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） WNA, update May 2021
  3. ^ Smriti Mallapaty. China prepares to test thorium-fuelled nuclear reactor. Nature. 9 September 2021, 597 (7876): 311–312 [10 September 2021]. Bibcode:2021Natur.597..311M. PMID 34504330. S2CID 237471852. doi:10.1038/d41586-021-02459-w. （原始內容存檔於2021-09-10）. Molten-salt reactors are considered to be relatively safe because the fuel is already dissolved in liquid and they operate at lower pressures than do conventional nuclear reactors, which reduces the risk of explosive meltdowns. 
  4. ^ 存档副本. [2015-10-28]. （原始內容存檔於2016-01-31）. 
  5. ^ Emme, Eugene M, comp, Aeronautics and Astronautics: An American Chronology of Science and Technology in the Exploration of Space, 1915–1960, Washington, DC: 49–63, 1961 [2008-11-05], （原始內容存檔於2020-11-11） .
  6. ^ 核动力飞机:从冷战时期的核裂变到新时代核聚变. 中國科學院等離子體物理研究所. 2015-03-02 [2023-12-15]. 
  7. ^ Eva. Nuclear powered aircraft: Cold War fission to new-age fusion. Airforce Technology. 2014-12-14 [2023-12-15]. （原始內容存檔於2023-10-11） （美國英語）. 
  8. ^ Rosenthal, Murry. An Account of Oak Ridge National Laboratory's Thirteen Nuclear Reactors, ORNL/TM-2009/181 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 楊漾. 【澎湃新闻】自主第四代先进核能研发迎重要节点：甘肃钍基熔盐实验堆获运行许可. 中國科學院蘭州分院. 2023-06-19 [2023-12-15] –透過澎湃新聞. 
  10. ^ 澎湃新聞 ∙ 能見度. 中科院、甘肃省签署四代先进核能钍基熔盐堆战略合作框架协议. 澎湃新聞. 2017-11-15 [2023-12-15]. （原始內容存檔於2018-02-01）. 
  11. ^ Waldrop, M. Mitchell. Nuclear goes retro — with a much greener outlook. Knowable Magazine. February 22, 2019 [2022-03-06]. doi:10.1146/knowable-022219-2  . （原始內容存檔於2022-04-25）. 
  12. ^ Greenblatt, Jeffery B.; Brown, Nicholas R.; Slaybaugh, Rachel; Wilks, Theresa; Stewart, Emma; McCoy, Sean T. The Future of Low-Carbon Electricity. Annual Review of Environment and Resources. 2017-10-17, 42 (1): 289–316 [25 June 2021]. doi:10.1146/annurev-environ-102016-061138. （原始內容存檔於2022-05-25）. 
  13. ^ Fluoride Salt-Cooled High-Temperature Reactor 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2012-09-25. Workshop Announcement and Call for Participation, c. September 2010, at Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge Tennessee, USA. Accessed 18 March 2013
  14. ^ Fuji Molten salt reactor （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. nextbigfuture.com. 19 December 2007
  15. ^ Barton, Charles (March 2008) Interview with Ralph Moir （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） at Energy From Thorium blog
  16. ^ 上海市人民政府國資委. 钍基熔盐实验堆于甘肃武威建成，上海建工将与中科院上海应物所继续深入合作. 上海市人民政府. 2023-10-23 [2023-12-15]. 
  17. ^ 关于颁发2MWt液态燃料钍基熔盐实验堆运行许可证的通知. 國家核安全局. 2023-06-07 [2023-12-15]. （原始內容存檔於2023-07-23）. 
  18. ^ 數據寶; 林麗峰. 重大进展！人类终极能源之一，钍基熔盐实验堆再迎关键节点，即将进入“带核运行”（附股）. 證券時報網. 2023-06-19 [2023-12-15]. （原始內容存檔於2023-06-23）. 
  19. ^ 鮑威. 中国船舶江南造船发布全球最大核动力箱船. 中國船舶報 (中國船舶報社). 2023-12-08 [2023-12-15] （中文（中國大陸））. 
  20. ^ 20.0 20.1 軍武次位面. 江南造船厂官宣全球最大核动力集装箱船 是核动力验证船吗？. 中華網. 2023-12-08 [2023-12-15]. 
  21. ^ 央視網. 中国船舶集团正式发布全球首型、世界最大核动力集装箱船. 國家國防科技工業局. 2023-12-11 [2023-12-15]. 

延伸閱讀

外部連結

 
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