“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念指明了我國能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的方向。有研究預測，在大力發(fā)展可再生能源的同時，全球的核能總量將增加 2-4 倍，我國由于本底較低，增幅將遠遠大于這個預期。具有更好的經(jīng)濟性、安全性、可持續(xù)性、防核擴散性的第四代先進核能系統(tǒng)，將會為未來核能發(fā)展提供技術支撐。

釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System, TMSR)是第四代先進核能系統(tǒng) 6 個候選之一，包括釷基核燃料、熔鹽堆、核能綜合利用 3 個子系統(tǒng)。釷基核燃料儲量豐富、防擴散性能好、產(chǎn)生核廢料更少，是解決長期能源供應的一種技術方案。熔鹽堆使用高溫熔鹽作為冷卻劑，具有高溫、低壓、高化學穩(wěn)定性、高熱容等熱物特性，無需使用沉重而昂貴的壓力容器，適合建成緊湊、輕量化和低成本的小型模塊化反應堆;熔鹽堆采用無水冷卻技術，只需少量的水即可運行，可在干旱地區(qū)實現(xiàn)高效發(fā)電。熔鹽堆輸出的700 oC以上高溫核熱可用于發(fā)電，也可用于工業(yè)熱應用、高溫制氫以及氫吸收二氧化碳制甲醇等，可以有力緩解碳排放和環(huán)境污染問題(圖 1)。

圖 1 基于TMSR的核能綜合利用前景

1 背景和意義

熔鹽堆研發(fā)始于 20 世紀 40 年代末的美國，橡樹嶺國家實驗室于 1965 年建成液態(tài)燃料熔鹽實驗堆(MSRE)，這是迄今世界上唯一建成并運行的液態(tài)燃料反應堆，也是唯一成功實現(xiàn)釷基核燃料(鈾-233) 運行的反應堆。但由于“冷戰(zhàn)”的考慮，側重民用的熔鹽堆計劃下馬，美國熔鹽堆研發(fā)中止.20 世紀 70 代初，我國也曾選擇釷基熔鹽堆作為發(fā)展民用核能的起步點，上海“728 工程”于 1971 年建成了零功率冷態(tài)熔鹽堆并達到臨界。但限于當時的科技、工業(yè)和經(jīng)濟水平，“728 工程”轉為建設輕水反應堆。自此，世界范圍內熔鹽堆研發(fā)的國家行為幾乎停止。

21 世紀初，能源危機、環(huán)境挑戰(zhàn)、核武技術擴散等問題，使釷基核能與熔鹽堆的研發(fā)在世界范圍內獲得新生。熔鹽堆被“第四代核反應堆國際論壇”選為 6 個候選堆型之一，相關研究在國際上呈現(xiàn)急劇上升趨勢。近期，美國能源部制定了新的核能發(fā)展戰(zhàn)略，重新定義四代堆為“非水堆”(不用水冷卻的反應堆)，計劃 2030 年至少有一種四代堆達到技術成熟并開始應用;同時改革傳統(tǒng)反應堆研發(fā)方式，鼓勵企業(yè)參與先進堆的研發(fā)，已有近 10 家美國企業(yè)選擇小型模塊熔鹽堆作為研發(fā)對象。

2011 年，中科院圍繞國家能源安全與可持續(xù)發(fā)展需求，部署啟動了首批中科院戰(zhàn)略性先導科技專項(A類)“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)”，計劃用 20 年左右的時間，在國際上首先實現(xiàn)釷基熔鹽堆的應用，同時建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應的科技隊伍。專項依托中科院上海應用物理所，上海有機所、上海高研院、長春應化所、金屬所等 10 家院內外科研單位參與。

2 專項總體進展

TMSR 先導專項自啟動實施以來，跨單位組建和發(fā)展了一支專業(yè)齊全、年富力強、規(guī)模約 750 人的我國釷基熔鹽堆科研隊伍，建成了覆蓋 TMSR 各領域方向的基礎研究實驗室和研發(fā)試驗平臺構成的 TMSR 低放非核(冷)實驗基地，形成了完整的學科布局，取得科技研發(fā)的突破性進展，整體達到國際先進水平，為 TMSR 研發(fā)奠定了堅實的科學技術基礎。國際核網(wǎng)站(http://www.world-nuclear.org)評價“中國正引領國際熔鹽堆研發(fā)”。

開展了緊扣專項目標、以美國為主要對象的國際合作.2011 年中科院與美國能源部簽訂了《核能科技合作諒解備忘錄》(CAS-DOE NE MoU)，在此框架下，TMSR 中心分別與美國橡樹嶺國家實驗室、麻省理工學院簽署合作研究熔鹽堆相關技術的合作協(xié)議，聯(lián)合我國相關單位與美方共同制定熔鹽堆材料加工標準和技術準入標準;這些合作列入了第六-八輪中美戰(zhàn)略與經(jīng)濟對話框架下戰(zhàn)略對話具體成果清單.TMSR 中心成為國際四代堆論壇熔鹽堆技術委員會觀察員。

TMSR 先導專項著眼關鍵材料與設備制造、設計及工程建設全部自主化，實現(xiàn)原型系統(tǒng)與關鍵技術的系統(tǒng)突破，為建設實驗堆奠定了堅實的科學技術基礎。與中國核動力院、上海核工院等聯(lián)合開展實驗堆工程設計。在國家核安全局的指導下，與上海核工院合作開展了實驗堆園區(qū)選址的前期技術工作，與國家核電技術有限公司簽訂合作協(xié)議共同推進 TMSR 實驗堆基地選址工作。同時，在先導專項和上海市支持下，先期在上海嘉定區(qū)建設首座釷基熔鹽仿真堆(不帶燃料)。

3 主要技術創(chuàng)新

3.1 創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略，優(yōu)化技術路線

結合能源長期供應與溫室氣體減排的國家需求和國際熔鹽堆研發(fā)的科技前沿，考慮到液態(tài)燃料熔鹽堆和固態(tài)燃料熔鹽堆(美國稱氟鹽冷卻高溫堆)共有的技術基礎和不同的用途——液態(tài)燃料熔鹽堆適合實現(xiàn)釷基核燃料高效利用，固態(tài)熔鹽堆則是為核能制氫、二氧化碳減排量身打造并可部分使用釷基核燃料——確定了兼顧釷基核能、無水冷卻、高溫制氫等重大應用，同時開展液態(tài)燃料熔鹽堆和固態(tài)燃料熔鹽堆研發(fā)的 TMSR 發(fā)展戰(zhàn)略，制定各自的發(fā)展路線圖并動態(tài)調整。近期，進一步明確將小型模塊釷基熔鹽堆作為示范堆的堆型，繼續(xù)采用固液并舉的路線，示范堆預期研發(fā)周期為 10 年.TMSR 發(fā)展戰(zhàn)略的制定和實施在國際上是一個創(chuàng)新，據(jù)此戰(zhàn)略制定的 TMSR 研發(fā)計劃和內容具有出眾的系統(tǒng)性、完整性和關聯(lián)性，TMSR 先導專項實施 5 年已步入國際熔鹽堆研發(fā)的領先行列。

3.2 建立四個原型系統(tǒng)

(1) 釷鈾燃料循環(huán)系統(tǒng)。提出創(chuàng)新的釷鈾循環(huán)方案，核燃料利用率隨著循環(huán)次數(shù)增加而不斷增長，最終可實現(xiàn)完全閉式的釷鈾燃料循環(huán)。采用先進的干法處理技術，篩選和確立了全新的后處理流程，實現(xiàn)了包括氟化揮發(fā)和減壓蒸餾技術的在線處理工藝段冷態(tài)貫通。

(2) 熔鹽實驗堆設計系統(tǒng)。開發(fā)建立了滿足熔鹽實驗堆中子物理、熱工水力和結構力學等設計分析需要的軟件體系。完成 2 MW 液態(tài)燃料熔鹽實驗堆深化概念設計、10 MW 固態(tài)燃料熔鹽實驗堆初步工程設計，解決了高溫熔鹽環(huán)境下主容器、堆內構件及其密封、支撐和隔熱設計等多項關鍵技術，完成實驗堆關鍵設備與儀表樣機研制并開展了相關測試和實驗驗證。

(3) 系列高溫熔鹽回路系統(tǒng)。掌握了熔鹽回路熱工水力、結構力學設計方法和高溫密封、測量與控制等關鍵技術，研制成功國內首臺套氟鹽體系泵、閥、計、換熱器等樣機。先后建成硝酸鹽熱工試驗回路和工程規(guī)模的氟鹽(FLiNaK)高溫試驗回路，進行了關鍵設備樣機的性能測試和運行考驗，獲得了熔鹽回路運行經(jīng)驗和重要熱工水力數(shù)據(jù)。

(4) 釷基熔鹽堆安全與許可系統(tǒng)。完成了熔鹽堆非基巖上構筑物抗震設計標準和熔鹽實驗堆Ⅱ類堆安全分類論證，獲得國家核安全局認可。作為聯(lián)合主席成員單位參與國際固態(tài)燃料熔鹽堆安全標準(ANSI/ANS-20.1) 的編制;編寫了固態(tài)燃料熔鹽實驗堆安全設計準則。建成工程規(guī)模的非能動熔鹽自然循環(huán)實驗裝置(圖 2)，首次驗證了熔鹽自然循環(huán)余熱排出系統(tǒng)的固有安全性。

圖 2 非能動熔鹽自然循環(huán)實驗裝置

3.3 取得一批核心技術突破

(1) 高純度氟鹽制備與檢測技術。掌握氟化物熔鹽冷卻劑和燃料鹽的制備凈化技術，自主研制了高純氟化熔鹽制備凈化裝置，制備成功核純 FLiBe 熔鹽、高純FLiNaK 熔鹽等，具備了年產(chǎn)噸級氟鹽的生產(chǎn)能力。解決了高溫熔鹽關鍵參數(shù)測試難題，建成系統(tǒng)完善的熔鹽物性與結構研究平臺。

(2) 氟鹽腐蝕控制技術。建成氟化物熔鹽腐蝕評價平臺，系統(tǒng)開展了氟化物熔鹽腐蝕機制、堆用合金材料腐蝕評價與防護技術研究。通過熔鹽純化、合金成分優(yōu)化及表面處理等技術，解決了氟鹽冷卻劑腐蝕控制難題(圖 3)。

圖 3 合金在熔鹽中腐蝕評價未純化熔鹽中腐蝕評價

(3) 國產(chǎn)高溫鎳基合金制備與加工技術。掌握了高溫鎳基合金批量生產(chǎn)制造、加工與焊接工藝，實現(xiàn)耐腐蝕鎳基合金國產(chǎn)化(國內編號 GH3535) ，常規(guī)性能評估顯示與進口合金相當。突破高硬度合金加工與熱處理工藝中的技術瓶頸，實現(xiàn)寬厚板材、大口徑管材、大型環(huán)軋件的工業(yè)試制。

(4) 國產(chǎn)高致密細顆粒核石墨制備技術。研發(fā)成功首款熔鹽堆專用的細顆粒核石墨 NG-CT-50，掌握了工業(yè)化生產(chǎn)技術，常規(guī)性能評估顯示其滿足熔鹽堆需求，防熔鹽浸滲性能優(yōu)于進口核石墨。建立了國產(chǎn)核石墨常規(guī)性能數(shù)據(jù)庫，直接推動了熔鹽堆專用核石墨國際規(guī)范的建立。

(5) 同位素萃取離心分離技術。發(fā)展了綠色環(huán)保的溶劑萃取離心分離鋰同位素技術，替代傳統(tǒng)汞齊法，革除汞污染;完成實驗室規(guī)模串級實驗，獲得滿足熔鹽堆需求的 99.99% 以上豐度的鋰 7.開發(fā)了溶劑萃取制備核純釷工藝，突破溶劑萃取分離痕量雜質的極限，實現(xiàn)99.999% 純度和連續(xù)批量制備。

(6) 基于氟鹽體系的干法分離技術。發(fā)展氟化揮發(fā)、減壓蒸餾和氟鹽電化學等干法分離技術，建立了溫度梯度驅動的蒸餾技術，提高了熔鹽的回收率和回收品質，降低了粉塵排放;建立了階躍式脈沖電流電解技術，在 FLiBe-UF4 熔鹽體系電解得到金屬鈾的分離率超過 90%。

(7) 熔鹽堆放射性氣體監(jiān)控技術。掌握了熔鹽中高效脫氣的鼓泡脫氚技術，用于多氣環(huán)境下氚分離的低溫分離技術，高效采集大氣中多種形態(tài)氚的收集技術，實現(xiàn)多氣并存氣氛中 HTO、HT 和 Kr、Xe 同時在線監(jiān)測技術。

4 對產(chǎn)業(yè)的意義

熔鹽堆的優(yōu)異性能主要來自其復合熔鹽冷卻劑的高沸點等物理化學特點，熔鹽還可以用在太陽能集熱、大規(guī)模熱能存儲和大功率電池等，熔鹽的廣泛使用將給能源帶來革命性變化。

熔鹽利用的關鍵技術是熔鹽制備與純化技術、結構材料制備加工技術、腐蝕控制技術、熔鹽回路關鍵儀器設備設計與制造技術;相關技術還包括環(huán)境友好型輕同位素分離技術、基于復合氟化鹽熱擴散的材料表面改性技術、高溫熔鹽回路先進測量與控制技術、熔鹽堆堆芯設備設計制造技術、先進熱能轉換與利用技術、高溫電解制氫技術、熔鹽堆乏燃料干法分離與處理技術、核純釷制備技術、熔鹽堆燃料制備技術、環(huán)境中微量放射性氣體檢測與控制技術等。目前這些產(chǎn)業(yè)在我國幾乎是空白，TMSR 先導專項將給釷基熔鹽堆全產(chǎn)業(yè)鏈奠定科技基礎.TMSR 團隊已著手與政府、資本和市場等社會要素結合，將先導專項執(zhí)行中掌握的上述實驗室技術進行產(chǎn)業(yè)化，推動 TMSR 全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

5 結語

40 多年前，我國開展過釷基熔鹽堆的研發(fā)，限于當時的技術條件，研發(fā)工作未能持續(xù)。隨著經(jīng)濟、科技和工業(yè)能力的提升，我國于 2011 年重啟釷基熔鹽堆研究。盡管先導專項已取得重大進展，為我國釷基熔鹽堆研發(fā)開了個好頭，但整體上這仍是一項極富挑戰(zhàn)的長期任務，完成這項任務還需要國家的長期支持，需要國內跨行業(yè)、跨部門的技術協(xié)作，需要借助國際先進經(jīng)驗。專項研究團隊將一如既往，立足眼前、兼顧長遠、開拓創(chuàng)新、聯(lián)合攻關，力爭讓釷基熔鹽堆及相關技術盡快從實驗室走向工業(yè)應用。

(依托單位：中科院上海應用物理所)

專家點評

2011 年1 月，中科院在上海應用物理所(SINAP)啟動了釷基熔鹽堆(TMSR)專項。之后 TMSR 取得了飛快進展，建立了發(fā)展和部署現(xiàn)代熔鹽堆(MSR)的科技基礎.2014 年11 月，我作為國際專家組①成員，對 TMSR 進行了評審。我們的結論是 TMSR 項目居世界領先。

① 指中科院發(fā)展規(guī)劃局組織的上海應用物理所“一三五”規(guī)劃及實施情況國際專家診斷評估組。專家組組長為瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院校長、PSI 研究所前所長Ralph Eichler 教授，專家組成員包括中國核學會理事長李冠興院士、Per Peterson 教授、麻省理工大學Lin-wen Hu教授、橡樹嶺國家實驗室David Holcomb 教授等核能專家在內的，來自美國、德國、日本和中國的10 位專家

50 年前，人們開始研究熔鹽在核反應堆中應用，然后遇到重大技術挑戰(zhàn)。基于當時的技術條件，水冷堆被證明更容易示范并放大.20 世紀70 年代初，中美兩國均停止了MSR 研究。

一旦解決關鍵技術問題，熔鹽具有非常理想的反應堆熱量傳輸特性。與水和氦氣相比，熔鹽具有高溫低壓的特性，可避免使用沉重而昂貴的壓力容器。與金屬鈉相比，熔鹽具有高化學穩(wěn)定性和熱容，可建成緊湊、輕量化和低成本的反應堆。熔鹽具有很高的平均輸出溫度，即使在干旱地區(qū)也能夠高效發(fā)電。

銫元素在熔鹽中的化學形態(tài)使其不會在事故中變成氣體。而在水冷堆事故中，銫會形成活躍的化學形態(tài)，極易擴散。銫- 137 的釋放是福島和切爾諾貝利長期區(qū)域污染的主要原因.MSR 不會發(fā)生造成長期區(qū)域污染的事故。當使用液態(tài)熔鹽燃料時，MSR 可利用釷鈾中的大部分能量(水冷堆僅利用1% 能量)并產(chǎn)生極少廢物。這是比爾。蓋茨的泰拉能源公司現(xiàn)在研究新型MSR 的主要原因。

過去 50 年的技術進步促使研究者重新審視 MSR 技術。現(xiàn)今反應堆采用非能動安全(一種在反應堆停堆后能夠不依賴于電力排出熱量、防止燃料熔毀的技術)，例如 AP1000.類似的，材料、反應堆物理和先進計算模擬等方面的技術也取得了長足的進步。

SINAP 成功建成了世界級的上海光源。我們專家組的結論是，SINAP 同樣很好地解決了 MSR 的關鍵技術問題，能在世界上首先實現(xiàn)MSR 科學示范和前期商業(yè)示范，一個重要的例子是成功示范了環(huán)保的鋰-7 富集技術。

MSR 技術的成功發(fā)展和商用帶來的收益是可轉化的.SINAP 通過成功的國際合作極大促進了MSR 技術發(fā)展，例如與美國橡樹嶺國家實驗室合作。中科院的 TMSR 項目在解決關鍵科學和技術問題上采取了正確的方法，將繼續(xù)成功引領世界 MSR 發(fā)展。

專家介紹

Per Peterson 美國著名核能科學家。加州伯克利大學教授，前核工程系主任，現(xiàn)任工程學院執(zhí)行院長。美國核學會會士，國家研究委員會成員，奧巴馬政府未來核能藍帶委員會成員(唯一核能科學家)，并在多個國際學術機構任職。致力于先進裂變核能研究，2002 年與他人共同提出氟鹽冷卻高溫堆的新概念。