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液态燃料核反应堆液态燃料核反应堆美罗伯特 哈格里弗斯，拉尔夫 莫伊尔2011-01-09现今人们熟悉的压水堆使用固体燃料装在燃料组件锆合金燃料棒内的铀氧化物芯块。这种组件布置在反应堆压力容器内160 大气压和 330的热水中。热水把裂变燃料产生的热能传给汽轮机，汽轮机驱动发电机旋转发电。阿尔文 温伯格(Alvin Weinberg)于 1946 年发明了压水堆(PWR)，现在这种装置用在美国 100 多台商用发电堆和海军舰艇上。温伯格也从事液态燃料反应堆研究，它有许多超过固体燃料反应堆的优点。本文回顾了液态燃料反应堆的一些历史、潜在的优势、可能的缺点，以及目前的研究开发状况。本文的重点是液态钍液态钍氟化物反应堆氟化物反应堆(LFTR)。在描述液态燃料反应堆的特性前，本节简略回顾压水堆的情况。在常规压水堆中，二氧化铀燃料芯块含高代价浓缩到 3.5%或更高的易裂变铀-235，其余是铀-238。大约 5 年后，燃料必须卸出，因为易裂变材料耗尽而吸收中子的裂变产物增多。此时燃料释放的能量不到天然铀潜能的1%。然而由于内部温差、破坏二氧化铀共价键的辐照损伤、以及阻碍固体晶结构的裂变产物，燃料棒承受的应力越来越大(见图 1)。即使燃料棒肿胀变形，其锆包壳必须在堆内以及其后在废物储存/处置场内继续包容燃料和裂变产物几百年。图图 1.1.固体燃料棒承受裂变产物、辐照和热应力。固体燃料棒承受裂变产物、辐照和热应力。（Courtesy of Japan Atomic Energy Agency R&D Review 2008Courtesy of Japan Atomic Energy Agency R&D Review 2008）相比之下，液态燃料不受固体燃料那样的结构应力的影响：液态燃料反应堆可在大气压下运行，不需要承受高压蒸汽爆炸的密封容器。气态裂变产物如氙鼓泡溢出，某些裂变产物沉淀析出，因此不吸收链式反应的中子。与压水堆相似，液态燃料反应堆可设计成增殖更多的燃料，而又比常规压水堆产生的废物有更强的防扩散能力。压水堆乏燃料含超铀元素如铀-238 吸收中子增殖产生的钚-239，就是这种长寿命的超铀元素成了废物储存关注的核心问题。相比之下，液态燃料反应堆有可能把储存的担心减少到几百年，因为比压水堆生产的超铀元素核素少得多。液态燃料反应堆历史液态燃料反应堆历史世界上第一个液态燃料反应堆用的是溶于水的铀磷酸盐燃料。尤金 维格纳于 1945 年构思了这种技术，阿尔文 温伯格在橡树岭建造了这种堆，由恩里科 费米启动。水携带燃料、慢化中子(慢化使铀的热能中子裂变截面增高)、传输热能，而且随着温度上升而膨胀，因此降低慢化并稳定裂变速率。因为普通水中的氢吸收中子，如压水堆这样的水堆，除非铀浓缩超过铀-235 的天然同位素丰度0.7%，否则不可能达临界。氚吸收中子很少，所以重水堆可用非浓缩铀。温伯格的水堆曾以140kW功率给电网供电达 1000 小时。其固有反应性控制非常有效，只要关闭汽轮发电机就完成了停堆。上述的水堆只不过是第一步，1943年维格纳和温伯格构思了液态燃料钍-铀增殖堆。这种反应堆的基本前提是环绕易裂变堆芯的钍-232增殖层吸收中子，因而某些核素转化（嬗变）为钍-233。钍-233依次衰变为镤-233和铀-233，后者本身易裂变，可用来给反应堆补充燃料。后来，温伯格作为橡树岭国家实验室主任，领导液态钍氟化物反应堆液态钍氟化物反应堆(LFTR)的发展，这是本文的主题。温伯格当时意识到未来二氧化碳排放的影响，他写道：“人类的整个未来取决于此”。熔盐堆实验装置(MoltenSalt Reactor Experiment-MSRE)最初用铀-235、后来用铀-233做燃料，成功地运行了4年多，直到1969年。为便于工程试验，没有安装钍增殖层，堆芯所用铀-233来自其它增殖钍-232的反应堆。MSRE已证实原理成功证实原理成功。连续排出裂变产物氙气以防不必要的中子吸收，在线换料得到证实；反应堆容器微腐蚀得到处理；而且编写了分离液态氟盐内钍、铀和裂变产物的化学实验方案。不幸的是，橡树岭的研究工作被迫停止，尼克松政府决定只对固体燃料液态钠金属冷却快增殖堆固体燃料液态钠金属冷却快增殖堆(LMFBR)提供资助，相对于LFTR能增殖铀-233，后者能更快增殖钚-239。液态钍氟化物反应堆液态钍氟化物反应堆使用钍增殖铀-233 的显著优势在于钍-232 生产的钚-239 相当少，因为相比铀-238，钍-232 要多吸收 6 个中子。增殖铀-233 还加强了防扩散能力，因为中子同时还产生0.13%的 U-232 污染，最终衰变为铊，这个过程发射2.6Mev 的贯穿性辐射，很容易被监视发现，而且危及制造核武器者的生命。例如，铀-233 分离一年后制造的 5kg 次临界球，距离1 米处接受的辐射剂量为4200 毫瑞姆/小时，受照72 小时很可能致死。通常反应堆屏蔽保护工作人员，但修改反应堆、分离铀-233，就要设法增加热室和操作设备遥控反应堆，并用于核武器加工、运输和交付。与使用铀浓缩（巴基斯坦）或钚增殖（印度，朝鲜）制造核武器的计划比较，修改 LFTR,试图建造基于铀-233 的核武器有更大的危险、技术挑战，而且成本很高。现在许多国家正在积极从事钍基反应堆方面的研究，包括德国、印度、中国和加拿大；印度计划 2050 年前后靠钍生产 30%的电力。但所有这些调研都潜心于固体燃料形式。我们的兴趣是液态燃料形式的钍基铀-233 增殖堆。LFTR 的原理配置见图 2。“双流”LFTR 内，诸如 LiF 和 BeF 等盐的熔融共晶混合物含熔解的四氟化铀构成中央易裂变堆芯。（“共晶混合物”指其凝固温度比其它任何相同化学制品化合物更低。）单独的环形区含熔融的锂和铍氟化物盐与熔解的四氟化钍，构成可增殖的再生层。熔在液态堆芯的铀-233（或者另外的某种“启动”易裂变燃料）裂变，使堆芯液态燃料加热。加热的液态燃料靠泵通过热交换器内侧小通道，达到非临界几何形状。多余的中子被熔盐再生层钍-232 吸收，增殖的铀-233 用氟气连续排出，用作堆芯补给燃料。裂变产物在废物分离器内以化学方法排除，熔盐燃料内只剩下铀和超铀元素。来自热交换器的单独的熔盐回路加热闭环氦气涡轮机的气体，推动发电机发电。所有三个熔盐环路都在大气压下运行。图图 2.2.在双流液态钍氟化物反应堆内，堆芯的铀在双流液态钍氟化物反应堆内，堆芯的铀-233-233 裂变加热熔融的载体盐（黄色）。它靠泵通裂变加热熔融的载体盐（黄色）。它靠泵通过热交换器内侧小通道达到非临界几何形状。一个单独的没有放射性物质的熔盐回路（红色）加过热交换器内侧小通道达到非临界几何形状。一个单独的没有放射性物质的熔盐回路（红色）加热闭环氦气轮机的气体使发电机旋转发电。多余的中子被熔盐再生层内钍热闭环氦气轮机的气体使发电机旋转发电。多余的中子被熔盐再生层内钍-232-232 吸收（绿色），增吸收（绿色），增殖的铀殖的铀-233-233 用氟气排出。裂变产物在废物分离器内以化学方法排除，铀和超铀元素留在熔盐燃料用氟气排出。裂变产物在废物分离器内以化学方法排除，铀和超铀元素留在熔盐燃料内。所有三个熔盐回路都在大气压下运行。内。所有三个熔盐回路都在大气压下运行。LFTR 可使废物储存问题从几百万年减到几百年。核废物的放射毒性有两个来源：裂变产生的强放射性裂变产物和吸收中子生成的长寿命锕系元素。钍和铀燃料反应堆产生的裂变产物基本相同，放射毒性可在 500 年内降到天然铀原始矿石的水平以下。LFTR 运行产生的超铀锕系元素远少于压水堆。300 年后 LFTR 废物的辐射只有压水堆的1/10000(图 3)。实践中，某些超铀元素会通过废物化学分离器漏失，但 LFTR 废物的放射毒性不到压水堆的1%。比尤卡山更小的地质处置场足够隔绝废物。现存的压水堆乏燃料可以成为财富。一个100MWe 的 LFTR 需要 100kg 易裂变材料（铀-233，铀-235,或钚-239）启动链式反应。现在全世界有340000 吨压水堆乏燃料，其中1%是易裂变材料，足够 93 年内每天启动一台 100MWe 的 LFTR。图图 3.LFTR3.LFTR 生产的长寿命废物比压水堆少得多生产的长寿命废物比压水堆少得多(Adapted from Sylvan David et al,Revisiting the thorium-uranium nuclear fuel cycle,(Adapted from Sylvan David et al,Revisiting the thorium-uranium nuclear fuel cycle,Europhysics news,38(2),p 25.)Europhysics news,38(2),p 25.)商用 LFTR 能使铀刚够维持发电，所以转移铀用作核武器会使反应堆停闭，警报监管当局。LFTR的多余易裂变材料很少；连续生产的铀-233 替代裂变的铀-233，连续加入钍-232 取代转化成铀-233的钍-232。恐怖分子不可能偷窃密闭反应堆内有致命放射性的裂变产物、熔解在熔盐内的铀。这种反应堆要接受 IAEA 常规的实体防御保障监督、所有核材料衡算与控制、探测干预监督，以及侵入检查。液态燃料反应堆也可以设计成不涉及铀-233 分离。例如，没有铀-233 分离的 LFTR 单液流改性熔盐堆(DMSR)就只加注钍和少于 20%的浓缩铀。在锕系元素和裂变产物积累、需要更换燃料盐前，它可以运行 30 年，而消耗的铀只相当压水堆的25%。用钚启动 LFTR 可消耗武器级材料库存。钍燃料也可减少铀-235 浓缩厂的需求，后者可用来生产核武器材料，就像生产动力堆燃料一样容易。铀-233 位于反应堆的核心，对LFTR 开发与试验非常重要。其半衰期只有 160000 年，自然界不存在。美国在橡树岭有1000kg 几乎不可替代的铀-233。现在提出以 4.77 亿美元的代价予以销毁，用铀-238 稀释并永远埋葬。这些钱用来投资开发LFTR 要好得多。LFTRLFTR 能比煤电便宜吗？能比煤电便宜吗？燃煤发电是大气层二氧化碳的最大来源，是它在促使全球变暖。我们寻求各种替代方案如埋藏二氧化碳或者用风电、太阳能和核电取代煤电。有比煤炭更便宜的能源会劝阻各国继续烧煤，同时提供充足的电力。LFTR 生产能源能比现在烧煤更便宜吗？我们比煤电更便宜的能源目标成本是$0.03/kWh，发电容量基建成本$2/W 下。煤炭价格为$40/吨，对电能成本的贡献为$0.02/kWh。钍既丰富又价廉；一吨价值$300,000，能供 1000MWe 的 LFTR 用一年。钍的燃料成本只有$0.00004/kWh。MIT2009 年修订版核电的未来证明新型燃煤电厂的基建成本是$2.30/W，相对应的轻水堆为$4/W。1962-2002 年大型熔盐堆五个成本研究报告的中位值是$1.98/W（2009 年美元）。有许多原因可使缩小比例的 100MWe 反应堆成本同样地低，其中六点简述如下：压力压力。LFTR 在大气压下运行，无需大型安全壳。大气压下没有爆炸的危险。安全性安全性。LFTR 不靠多重纵深防御系统确保安全，而是凭借固有的安全性保持低成本。熔盐堆不可能熔化，因堆芯正常运行状态就是熔融的。氟盐室温呈固态，如果反应堆容器、泵或管道断裂，盐会溢出并凝固。如果温度上升，盐因膨胀，稳定性是固有特性。应急情况，下泄管道上能动冷却的固相盐塞熔化，燃料流入临界安全的接收罐。橡树岭 MSRE 的研究人员周末就用这种办法关闭反应堆。高温高温。熔盐的高热容量超过压水堆的水或快堆的液钠，使高镍合金的堆芯几何形体和热传输环路小型化。热能转换效率热能转换效率。LFTR 使用闭环涡轮机，其高温使效率可达45%。相对而言，目前常规电厂朗肯蒸汽循环典型的热/电转换效率只有 33%。LFTR 的冷却要求几乎减半，降低了成本；并使在缺水地区发展空冷 LFTR 更加现实。大规模生产大规模生产。随着生产的机组数量增加，由于劳动效率、材料、制造工艺和质量的提高，技术商业化可降低成本。借助所谓的学习百分比率，生产的机组数量加倍，通常约降低成本 20%。在核电的经济前景中，芝加哥大学经济学家估算，核动力堆的学习百分比率为10%。100MWe 规模的反应堆可以象波音公司每天生产一架飞机的方式进行日常工厂制造。按学习比率10%计算，三年内成本下降至 65%。持续研究持续研究。新结构材料包括化学蒸发浸硅碳纤维表面渗碳。这种紧凑的薄板式热交换器有望降低尺寸和成本。950运行可提高热/电转换效率到 50%以上，以及增强水解制氢，用于加工合成燃料，例如替代汽油或柴油。这是LFTR 技术的另一用途。总之，简单的液态燃料处理、高热容量热交换流体、较小的部件、低压堆芯、高温动力转换、简单的固有安全、工厂生产、学习曲线，以及还开发的技术，都支持$2/W 的 LFTR 基建成本目标。$2/W 的基建成本对电力成本的贡献是$0.02/kWh。有丰富的钍燃料，LFTR 确实可使发电成本低于燃煤发电低价销售的$0.03/kWh。每天生产一台 100MWe 的 LFTR，就能在 38 年内逐步淘汰全世界的燃煤电厂，终止燃煤电厂每年100 亿吨的二氧化碳排放。LFTRLFTR 发展状态发展状态目前世界各地有许多积极的LFTR 计划。法国支持在格勒诺布尔(Grenoble)和其他一些地方的二十多个科学家进行理论研究。捷克共和国支持在布拉格附近的雷兹核研究所进行燃料处理方面的实验室研究。在日本，FUJI 熔盐堆设计还在继续。俄罗斯正在建模和试验熔盐堆设备，其设计用于消耗压水堆乏燃料中的钚和次锕系元素；加拿大和荷兰也在进行LFTR 研究。在美国，除了 加州大学伯克利分校和橡树岭的固体燃料熔盐冷却反应堆的相关研究外，其他的研发经费微不足道，加州大学伯克利分校和橡树岭曾在2010 年 9 月举办国际会议共享氟化物反应堆方面的信息。发展 LFTR，需要在反应堆容器、热交换器和管道高温材料，铀与裂变产物分离化学，以及动力转换系统等方面取得进展。第四代国际论坛为熔盐堆发展编制了8 年以上 10 亿美元的预算。我们建议安排一个高度优先的 5 年国家计划，来完成 LFTR 和简化 DMSR 的原型堆。工业界参与可能再用5年时间，以达到大规模生产能力。因为发展LFTR 需要化学工程专门技术，而今天大多数核工程师并不熟悉液态燃料技术，核工程课程体系必须修订，把介绍这种物质包括在内。开发原型堆工程必须克服的技术挑战和风险，包括盐容器腐蚀控制、中子辐照锂盐的氚回收、结构石墨收缩与肿胀管理、闭环涡轮机动力转换，以及铀-233 分离和裂变产物排除化学处理的可维修性。能源部长朱棣文致信参议员沙希恩(Jeanne Shaheen)(D-NH)，回答听证会上的问题时表达了对这种技术的历史批判，“熔盐堆技术的一个重大缺点是熔盐对反应堆容器和热交换器内使用的结构材料的腐蚀；这个问题导致需要开发先进的抗腐蚀的结构材料并加强反应堆冷却剂化学控制系统”，而且“从核不扩散的观点看，钍燃料反应堆提出一系列独特的挑战，因为它们把钍-232 转化为铀-233，而后者作为核武器材料几乎与钚一样有效。”不过他也承认，“熔盐堆的某些潜在特征包括由于熔盐的热排出能力更高，熔盐堆相对轻水堆而言尺寸较小，而且因为燃料就熔解在熔盐之内，能简化燃料加工过程。”LFTR 发展的其它障碍可能是监管环境和核工业现行实践遭重创的前景。核管会需要筹资培训适应这种技术的合格工作人员。核工业和公共事业公司将被这种破坏性的技术所颠覆，采矿、浓缩、燃料棒加工以及换料等整个燃料循环都改变了。最终，只有实践证明 LFTR 的电力成本比燃煤更便宜，其对环境和人类发展的利益才能实现。参考资料参考资料1.Robert Hargraves and Ralph Moir,Liquid Fluoride Reactors,American Scientist,July/August 20102.Alvin Martin Weinberg,The first nuclear era:the life and times of a technological fixer.Springer,New York,1997.Oak Ridge National Laboratory document repository3.S.David,E.Huffer,H.Nifenecker,Revisiting the thorium-uranium nuclear fuel cycle4.David LeBlanc,Molten Salt Reactors:A New Beginning for an Old Idea5.Ralph Moir,Edward Teller,Thorium fueled underground power plant based on molten salt technology,http:/ Peterson,Pebble Bed Advanced High Temperature Reactor,http:/www.nuc.berkeley.edu/pb-ahtr/Oak Ridge National Laboratory,Fluoride Salt-Cooled High-Temperature Reactor Agenda,https:/www.ornl.gov/fhr/agenda.html7.A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Systems,http:/gif.inel.gov/roadmap/pdfs/gen_iv_roadmap.pdf杜铭海等全文译自：Robert Hargraves and Ralph Moir，Liquid Fuel Nuclear Reactors,Liquid Fuel Nuclear Reactors,PHYSICS AND SOCIETY,Vol.40,No.1 January 2011,p.6-10