钍基熔盐堆核能系统

 

 

现在的核能系统——热中子反应堆以铀-235为燃料，然而铀-235在自然界中的含量非常少(<1%)。按照目前估计的裂变核能发展趋势，地球上的陆基铀-235的储量将与化石能源几乎同时枯竭，人类面临核燃料铀-235的危机。那么应该怎么应对?

我们知道，钍和铀都是核燃料，但钍不能直接使用，它可以先通过核反应将其转换成铀233再使用，所以称为钍铀核燃料循环。熔盐堆（MSR）是唯一的液态燃料堆，将天然核燃料和可转化核燃料熔融于高温氟化盐中。氟化盐同时作为冷却剂，携带核燃料在反应堆内部和外部进行循环。研发这样的新的核能系统也就是使其具有一个更好的核反应堆，通俗叫核炉子，使它能够烧更多的核燃料，对现有的核废料能够再利用，发挥其“第二青春”的作用，以实现新一代绿色的和真正意义的核能的和平利用。

钍基熔盐堆是第四代反应堆核能系统的六种候选堆型之一，是瞄准未来20~30年后核能产业发展的需求。相比目前的主流核电技术――第三代反应堆，第四代堆包括了核燃料加工技术、反应堆技术和核废料处理技术，所以称为核能系统。第四代核能系统的预定目标，是具备核燃料长期稳定供应、核废物最小化、本征安全性、物理防核扩散和经济性等要求。

熔盐堆的基本特性决定了它最适合使用钍-铀核燃料循环。使用钍-铀核燃料循环的熔盐堆故称为钍基熔盐堆(TMSR)。钍基熔盐堆具有以下五大特点：

（1）本征安全性有保障。当熔盐堆内熔盐温度超过预定值时，设在底部的冷冻塞将自动熔化，携带核燃料的熔盐随即全部流入应急储存罐，使核反应终止。熔盐堆工作在常压，操作简单安全。熔盐堆还可建在离地面10米以下，有利于防御恐怖破坏和战争的突然袭击。

（2）核燃料长期稳定供应。对于陆地钍资源储量的估计，中科院院长路甬祥说，不太乐观地估计，钍的储藏量是铀资源的3~4倍，而如果乐观地估计，则可能达到5~8倍。我国是钍资源大国，若能够将钍用于生产核能，可保我国能源供应千年无忧。他同时说：“钍是稀土资源的组成部分，和其他资源混生在一起，如不利用，可能会造成低度的核辐射。”

（3）核废料减少到最小化。熔盐堆可以对核燃料和反应产物进行在线添加和在线（或邻堆离线）分离和处理，使得核燃料充分地燃烧，最终卸出的核废料很少，约为目前的千分之一左右。

（4）物理防核扩散。传统反应堆所产生的核废料中，有大量易于生产核武器的核燃料钚239，因此存在核武器扩散的风险，而科学界公认钍-铀燃料循环不适于生产武器级核燃料，只能用于产生核能。

（5）多用途与灵活性。小型模块化反应堆、混合能源均为未来核能的发展方向。熔盐堆是小型模块化反应堆较为理想的堆型，同时熔盐堆又是高温堆，适于用作制氢等混合能源的应用。因此，未来或可出现小型化、社区用的绿色的核能系统。

地球上的钍元素蕴藏量巨大，可以通过多种方式将它转换为核能源。我国是钍资源大国，据估计，如果能够真正使用潜在的核资源钍-232，把钍用于核能，则我国能源供应一千年将不成问题。

我国选择了熔盐堆作为突破方向的主要理由还在于：作为国际第四代反应堆核能系统研究的六种候选堆型（即钠冷快堆、气冷快堆、铅冷快堆、超高温气冷堆、超临界水堆和熔盐堆）中最后类型是唯一的液态燃料堆，它具有结构简单、可以在常压下运行、燃料“杂食性”强等优点。熔盐堆使用熔融状态的氟化盐携带着核燃料，有点类似地壳里的岩浆，在'核炉子’中燃烧，不断输出巨大的能量。新的“核炉子”可以做得非常小巧，封入一定的核燃料就能稳定运行几十年，而经过充分燃烧，理论上其产生的核废料将仅为现有技术的千分之一。

由于全球新一代核反应堆尚处于研发中，我国自主研发钍基熔盐堆，确定的科学目标是用20年左右时间，研发出新一代核能系统，所有技术均达到中试水平，并将获得我国全部自主知识产权。这是我国在未来绿色能源方面作出的一个重大战略决策。它将对我国的经济和生活产生重要的影响。据悉，2005年，我国GDP总和为18.23万亿元，一次能源总耗量为22.3亿吨标准煤。如今，我国已成为温室气体排放的大国，再过三四十年，我国GDP总量可能达到117万亿元，相应能源需求将增加多少?保持国家继续发展需要更多能源，同时温室气体排放不仅不能增加，还要减少。以现有的核电技术而言，1千克铀所放出的热量为196亿千卡，而1千克标准煤只能放出7000千卡热量。因此，在全球气候变化的节骨眼上，节能减排、低碳经济正促使核能在全球复兴。据国际能源机构(IEA)预测，至2050年，全球核电装机容量将达到1200-1700GWe(百万千瓦)。目前，我国核电仅占总能耗不足2%，根据国家发改委发布的核电中长期发展规划，到2020年我国核电运行装机容量将达到40GWe，2050年则可能提高到260GWe及以上。这告诉我们，未来40年里我国的核能应用将翻20倍!

传统反应堆所产生的核废料中，有大量易于生产核武器的核燃料钚-239，这使得核能的和平利用有了核武器扩散的风险。而燃烧钍-232的新堆产生的核燃料铀-233的同时还伴生杂质铀-232，这使得钍-铀核燃料被国际公认为不适合发展核武器，人们就放心了。于是，可以一改人们过去谈“核”色变的和咄咄逼人的状态，自然期待和呼唤新一代绿色的和平的核能时代的到来。

对于我国核能的加速发展的要求和态势，我国国内有不同的声音，最近何祚庥院士博客三次呼吁：《中国核能绝不能搞'大跃进’》，《坚决反对在中国内陆地区发展核电站》和《三论中国内陆地区不能搁置核电站》。他认为，“对中国的核能，完全需要有20~30年时间冷静地观察一下，新改进的核电技术，是否已为“足够”安全的技术，然后才能真正做出应如何“科学发展”核电的决策。”我觉得，关键是“新改进的核电技术”和安全性保障等问题是否过关，如果还是采用第二、三代核电技术，急于“大跃进”，那就比较让人担忧了。因此，如何科学地发展我国核电站问题，需要政府采取积极而谨慎的状态，坚持“三老”态度和“三严”的科学精神，有必要进行深入的严密的科学技术研究和论证工作！并考察一段时期,我认为，这样通过广泛的听取各界意见和深入讨论，不但不会影响，而且应该能够促进我国绿色核能的积极探索与发展之路。显然，努力实现上述战略性科技先导的“未来先进核裂变能”的两大支拄性技术，将使我国沿着一条绿色核能的康庄道路前进。

如上所述，以钍为核燃料的新反应堆是在常压下运行，而不是像传统反应堆在高压下工作，操作简单安全。当核炉内温度超过预定值时，设在底部的冷冻塞会自动熔化，携带核燃料的熔盐全部流入应急储存罐，核反应即终止工作。由于冷却剂是氟化盐(同时携带燃料)，冷却后就变成了固态盐，这使得核燃料既不容易泄露，也不会与地下水发生作用而造成生态灾害。同时这样也使新一代反应堆的选址变得更加自由，不限于靠近海洋，在内陆也可以建设，它可建于几十米深的地下，既可完全隔绝射线，又可防止敌人的武器突然攻击;它既可建于大城市中，也可工作于荒郊野外，为偏远山村送去恒久的电力。这是多么诱人的美妙前景啊！

但是必须指出，为了成功研发钍基熔盐核能系统，我国科学家和工程师们需要相当长的时间内拼力攻克一系列科学和技术难关。从世界上第一座反应堆试验成功，到核电站的商业推广，经历了近20年的时间;而到目前主流核电站技术的成熟，又经过了20多年的发展。这个新一代反应堆真正实现推广使用，计划要用20-30年的时间，才可能使所有技术均达到中试水平，我国并拥有全部的知识产权，最终实现产业化。根据报道，中科院制定了20年分三步走的发展规划：

一是起步阶段（2010~2015年），要建立完善的研究平台体系、学习并掌握已有技术、开展关键科技问题的研究；工程目标是建成2MW钍基熔盐实验堆并在零功率水平达到临界。

二是发展阶段（2016~2020年），要建成钍基熔盐堆中试系统，全面解决相关的科学问题和技术问题，达到该领域的国际领先水平；工程目标是建成10MW钍基熔盐堆并达到临界。

三是突破阶段（2020~2030年），要建成工业示范性钍基熔盐堆核能系统，并解决相关的科学问题，发展和掌握所有相关的核心技术，实现小型模块化熔盐堆的产业化；工程目标是建成示范性100MW钍基熔盐堆核能系统并达到临界。

未来先进核裂变能的另一个专项是“加速器驱动次临界系统”（ADS），已经探索十几年了，在以前研究积累的基础上，ADS正在继续推进中。它是利用加速器产生的强流高能质子束与重靶核（如铅）发生散裂反应，一个质子可以产生几十个中子，这些中子作为中子源驱动次临界堆，使之维持链式反应，并嬗变核废料，因此ADS系统也可以满足核燃料增殖、核废料嬗变及固有安全性的要求，是未来先进核裂变能发展的另外一个重要方向。我国同时并进两项先进核裂变能科技专项。ADS的启明星-2号等攻关任务也都提到了工作日程。ADS关键技术之一：ADS的强流质子加速器物理工作、设计和建造等都密切合作研制。

从上可见，未来核电的发展方向都要满足发展第四代先进核能系统的要求。2000年由美国首先提出第四代先进核能系统，并随后与发达国家联合组成了“第四代国际核能论坛”（即GIF），开展了第四代核能系统的研究和开发工作。GIF提出了四个方面要求：1）可持续性：要求大幅度提高资源利用率和放射性废物减少到最小化；2）安全性和可靠性：要求非常低的堆芯熔化概率和无需厂外应急；3）经济性和核不扩散：要求在工作寿命期内与其它类型能源具有可比性，并能避免财务风险，做到可控；4）“核不扩散”：要求系统要具有防扩散和反恐能力。我国正在进行的以快堆为核心装置的第四代核能系统可以全面符合以上的各项要求，有关专家指出：第四代核能系统具有三大特点：（1）快堆结合先进燃料循环系统，可大幅提高铀资源利用率（如达到60-70%），这使得核电可以作为主力能源大规模持续发展；（2）嬗变乏燃料中的长寿命放射性废物，实现核废物最小化，让核能的发展与环境相当友好，能和平利用和相处；（3）固有安全性高，可以实现完全的非能动余热导出，多道相互独立的包容屏障可以保证，即使在堆芯熔化的严重事故情况下也可将放射性物质包容在厂内。

我国核能未来发展的总体战略是：压水堆—快堆—聚变堆，形成核燃料闭式循环体系，可以充分利用铀资源，并实现核废物的最小化，从而保证核裂变能的可持续发展。快堆及其燃料循环系统的发展对我国核资源的清洁高效利用和减少温室气体排放，对我国国民经济建设等都具有十分重要的意义。掌握块堆工程技术是我国掌握第四代核能技术的关键环节。在国家科技部和国防科工局的长期支持下，我国第一座快堆、“863”计划重点项目——中国实验快堆已于2010年7月达到首次临界，2011年7月首次成功并网发电，这标志着我国在四代核能系统技术研发上取得了一个重大突破。在开发先进燃料系统的同时按照“实验堆、示范堆、商业堆”三步走的战略，逐步掌握块堆工程技术。下一步将集中精力开展示范快堆研发建设，可望用10年左右的时间建成示范快堆，为最终建成完全符合第四代核能系统要求的快堆核电系统奠定基础。

总之，走探索和发展绿色的和平的核能之路，是我国乃至全人类能源的希望所在。从上看到，为了达到这个宏伟目标，我国除了发展快堆之外，正在齐头并进实施二项未来先进核裂变能：钍基熔盐堆核能系统(TMSR)和加速器驱动的洁净核能系统（ADS），我国科技工作者任重道远，大约需要20~30年时间，顽强拼搏，持续攻关，不断创新，并希望与企业界能够尽快进入主战场，携手并进。只有我国科技战线和工业企业界联合起来,形成一条龙的攻关，共同努力奋斗,才有可能实现预期的目标，把我国将具有的自主知识产权的重大科研成果尽快转变为商业化的绿色的和平核能，再实现商业应用,为我国和全人类社会解决能源问题及其国民经济的持续发展作出应有的贡献。