实现熔盐堆原型系统与关键技术的系统突破 为建设实验堆奠定坚实科学技术基础——中科院战略性科技先导专项“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统”取得阶段性成果

2016-05-25

钍基熔盐堆核能系统是典型的第四代先进核能系统，包括钍基核燃料、熔盐堆、核能综合利用三个子系统，系统研发的战略目标是利用储量丰富、防扩散性能好、燃料利用率高和产生核废料更少的钍基燃料以解决核能长期可持续发展的国家需求，在技术链条上熔盐堆是整个系统的基础与核心，目前已经发展了液态燃料和固态燃料两类熔盐堆概念。高温熔盐作为冷却剂，具有高温、低压、高化学稳定性、高热容等热物特性，无需使用沉重而昂贵的压力容器，适合于建成紧凑、轻量化和低成本的小型模块化反应堆。熔盐堆采用无水冷却技术，只需少量的水即可运行，可用于在干旱地区实现高效发电。熔盐堆输出温度达700℃以上的高温核热，可用于发电，也可用于工业热应用、高温制氢以及氢吸收二氧化碳制甲醇等，通过实现核能综合利用，以有力缓解碳排放和环境污染问题。

2011年，围绕国家能源安全与可持续发展需求，中国科学院部署启动了“未来先进核裂变能——钍基熔盐堆核能系统（Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System，缩写为TMSR）”战略性科技先导专项（A类），计划用二十年左右的时间，研发第四代裂变反应堆核能系统——钍基熔盐堆核能系统。由于固态燃料钍基熔盐堆和液态燃料钍基熔盐堆在关键材料与设备、反应堆物理热工等方面具有相似的技术特性和需求，专项采取了兼顾利用钍资源与核能综合利用两类重大需求，对两种熔盐堆堆型研发同时部署、相继发展的技术路线。近期目标是建成2兆瓦液态燃料熔盐实验堆并实现钍铀循环实验验证以及建成世界首座10兆瓦固态燃料熔盐实验堆，最终实现核能综合利用、干旱地区能源供应和钍基核燃料高效利用。

为完成TMSR先导专项近期目标，首先要在设计标准、结构材料和仪器设备等关键技术研发以及实验堆各子系统研发集成方面取得突破，这也是建成2兆瓦液态燃料熔盐实验堆和10兆瓦固态燃料熔盐实验堆的技术基础。“十二五”期间，依托中国科学院上海应用物理研究所，在中科院内外十多个研究机构和核工业单位的协作参与下，TMSR先导专项组建了约700人的科技队伍，建成了配套齐全的（冷）实验研究基地，开展了广泛而卓有成效的国际合作，实现了原型系统与关键技术的系统突破，为建设实验堆奠定了坚实的科学技术基础。

一、主要技术创新

目前，项目已建立了由熔盐堆钍资源利用方案、燃料在线处理流程设计、干法处理工艺冷贯通组成的钍铀循环原型系统；建立了包括熔盐堆分析与设计、堆本体关键样机研制与实验验证、10MW固态燃料熔盐实验堆堆本体初步工程设计的堆本体工程设计原型系统；建成了包括高温熔盐回路设计、熔盐回路关键设备样机研制与实验验证和工程级高温熔盐回路实验装置的高温熔盐回路原型系统；建立了包括固态燃料熔盐堆安全设计守则编制、熔盐堆安全标准制订、工程规模非能动熔盐自然余热排除（安全专设）实验装置的安全与许可原型系统。

同时，在熔盐堆材料制备加工、同位素分离等关键技术研发中取得重要进展和突破。首创环境友好型高丰度锂7和核纯钍的萃取离心分离技术，掌握并改进了基于氟盐的氟化挥发和减压蒸馏的干法处理技术，发展了国产高纯度氟盐（FLiBe和FLiNaK）合成、净化和批量生产技术，国产高温镍基合金（GH3535）制备和加工技术，国产高致密细颗粒核石墨制备与加工技术以及达到国际先进水平的高温镍基合金氟盐腐蚀控制技术。

（一）钍铀燃料循环系统

项目通过物理模式分析和堆型优化设计，提出创新的钍铀循环方案。除首次装堆需要裂变燃料外，其后各次循环只需提供增殖材料钍；核燃料利用率随着循环次数增加而不断增长，最终可实现完全闭式钍铀燃料循环。采用先进的干法处理技术，筛选和确立了全新的后处理流程。实现了包括氟化挥发和减压蒸馏技术的在线处理工艺段冷态贯通，回收铀产品中Sr、Cs和稀土类裂变产物的去污大于10⁵，载体盐中稀土裂变产物的去污达10²。

（二）钍基熔盐堆安全与许可系统

完成了熔盐堆非基岩上构筑物抗震设计标准和熔盐实验堆Ⅱ类堆安全分类论证，论证了非基岩上建反应堆的可行性，获得国家核安全局的认可。作为联合主席成员单位参与共同编制国际固态燃料熔盐堆安全标准（ANSI/ANS-20.1)。编写了固态燃料熔盐实验堆安全设计准则，完成了熔盐实验堆的安全系统设计。建成了工程规模的非能动熔盐自然循环实验装置，首次验证了熔盐自然循环余热排出系统的固有安全性。

（三）熔盐实验堆设计系统

在通用的反应堆设计和分析软件基础上，开发建立了满足熔盐实验堆中子物理、热工水力和结构力学等设计分析需要的软件体系。完成了10MW固态燃料熔盐实验堆初步工程设计、2MW液态燃料熔盐实验堆概念设计，解决了高温熔盐环境下主容器、堆内构件及其密封、支撑和隔热设计等多项关键技术。完成了控制棒驱动机构样机、球形燃料元件装卸机构原理装置、熔盐热工水力测量等仪表样机以及保护系统样机等的研制，开展了相关测试和实验验证。

（四）系列高温熔盐回路系统

掌握了熔盐回路热工水力、结构力学设计方法和高温密封、测量与控制等关键技术，研制成功国内首台套氟盐体系泵、阀、换热器、流量计、压力计等样机。先后建成硝酸盐热工试验回路和工程规模的氟盐（FLiNaK）高温试验回路。在实验台架及试验回路上成功进行了关键设备样机的性能测试和运行考验，两个熔盐回路已分别运行上万小时和数千小时，开展了大量热工和力学特性研究，获得了熔盐回路运行经验和重要热工水力数据。

（五）高纯度氟盐制备与检测技术

掌握氟化物熔盐冷却剂和燃料盐的制备净化技术，自主研制了采用H2-HF鼓泡法的高纯氟化熔盐制备净化装置，具备了年产吨级高纯氟化物熔盐的生产能力。熔盐堆一回路用核纯FLiBe熔盐的杂质硼当量小于2ppm，二回路用高纯FLiNaK熔盐的氧杂质含量小于100ppm。研制了熔盐热物性测试设备，解决了高温熔盐粘度、密度、导热系数等关键参数测试难题，建成了系统完善的熔盐物性与结构研究平台。

（六）氟盐腐蚀控制技术

建成氟化物熔盐腐蚀评价平台，系统开展了氟化物熔盐腐蚀机制、堆用合金材料腐蚀评价与防护技术研究。通过熔盐纯化、合金成分优化及表面处理等技术，解决了氟盐冷却剂腐蚀控制难题，堆结构材料镍基合金在氟化物熔盐体系中的静态腐蚀速率小于2微米/年。

（七）国产高温镍基合金制备与加工技术

掌握了高温镍基合金批量生产制造、加工与焊接工艺，实现了熔盐堆用耐腐蚀镍基合金国产化（国内编号GH3535）。成功试制了10吨冶炼锭，常规性能评估显示其高温力学强度、耐熔盐腐蚀性等关键性能与进口Hastelloy N合金相当。突破高硬度合金加工与热处理工艺中的技术瓶颈，实现了宽厚板材、大口径管材、大型环轧件的工业试制。

（八）国产高致密细颗粒核石墨制备技术

研发成功首款熔盐堆专用的细颗粒核石墨NG-CT-50，解决了放大工艺（1 400×600×350mm）中的关键技术问题，掌握了工业化生产技术，其力学、热学、纯度和均一性等各项性能满足熔盐堆需求，防熔盐浸渗性能力优于进口核石墨。建立了国产核石墨常规性能数据库，直接推动了熔盐堆专用核石墨国际规范的建立。

（九）同位素萃取离心分离技术

发展了绿色环保的溶剂萃取离心分离锂同位素技术，替代传统汞齐法，革除汞污染；开发了具有独创结构的专用萃取剂，分离系数达到1.021；完成实验室规模串级实验，萃取离心分离获得满足熔盐堆需求的99.99%以上丰度的锂7。开发了溶剂萃取制备核纯钍工艺，筛选出高效钍萃取体系，突破溶剂萃取分离痕量杂质的极限，实现99.999%纯度，实现核纯钍的连续批量制备。

（十）基于氟盐体系的干法分离技术

发展基于氟盐体系的干法分离技术，氟化挥发、减压蒸馏和氟盐电化学分离技术研发取得重要进展。创新蒸馏模式，建立了温度梯度驱动的蒸馏技术，极大地提高了熔盐的回收率和回收品质，降低了粉尘排放。创新电解模式，建立了阶跃式脉冲电流电解技术，在FLiBe-UF4熔盐体系电解分离得到金属铀，分离率超过90%。

二、国际合作进展情况

美国是熔盐堆研发的先驱并掌握已有的熔盐堆技术。2011年中国科学院与美国能源部签署核能科技合作谅解备忘录(CAS-DOE NE MOU)，开启了中美基于熔盐堆的新一代核能技术合作之门。在此合作框架下，中国科学院钍基熔盐堆核能系统（TMSR）研究中心（依托中国科学院上海应用物理研究所）围绕TMSR先导专项，与美国国家实验室、大学和核学会等开展了多层次、全方位卓有成效的合作，取得了实质性进展。该合作被列入最近两轮中美战略与经济对话框架下战略对话具体成果清单。

经中国科学院和美国能源部（包括美国技术出口委员会）批准，上海应用物理研究所（TMSR中心）与橡树岭国家实验室（ORNL）草签熔盐堆技术合作研究与开发协议（CRADA），该协议计划为期10年，双方合作开展熔盐实验堆的研发，包括熔盐堆设计优化、熔盐回路与关键技术研发、实验数据共享和人员交流等。TMSR中心与麻省理工学院（MIT）签署了熔盐堆设计与实验合作研究协议（MRA）。该协议第一期合作时间为3年，双方共同开展熔盐堆实验堆安全许可和堆材料辐照研究以及基于熔盐堆的能源发展战略研究。

在熔盐堆发展路线与实验堆设计方面，美国能源部支持的氟盐冷却高温堆（即固态燃料熔盐堆）大学研究计划（NEUP-IRP）对TMSR中心全面开放，TMSR中心受邀参加系列研讨会，并共享其重要研究成果（已完成4卷白皮书），内容涵盖熔盐堆技术路线、顶层设计标准、核安全、材料与化学和实验堆设计等。合作完成了TMSR设计用程序的选择、基准验证和适用性评价工作以及面向TMSR的SCALE软件新增部分功能开发。在ORNL建立了TMSR实验堆设计云计算服务器，TMSR人员获得了相关程序的授权许可。合作研讨了TMSR仿真堆和实验堆作为未来国际熔盐设计研发基准平台（Benchmark），并据此指导堆设计工作。

在熔盐堆关键技术研发方面，合作开展了熔盐泵、超声波流量计等熔盐堆关键设备的设计、实验与标定；共同开展了熔盐传热实验、热工水力实验以及设计软件验证，获得熔盐回路设计、建造与运行经验和重要实验数据，为TMSR仿真堆和实验堆的建设奠定了坚实的科技基础；成功开展了熔盐自然循环（余）热排出实验研究，验证了TMSR的固有安全性。

在熔盐堆安全标准制订方面，TMSR中心作为中美联合工作组的联合组长，与美国研究机构、企业和政府部门合作，研究制定美国核学会氟盐高温堆（即固态燃料熔盐堆）安全标准（编号ANSI/ANS-20.1），现已完成编写并进入审议阶段，该标准将成为美国国家标准。TMSR中心加入美国机械工程师学会（ASME）和美国材料与试验协会（ASTM）的部分标准工作组，参与熔盐堆相关标准的制定，已提出了熔盐堆相关的熔盐浸渗、劈裂法测石墨拉伸强度两项ASTM标准并通过第一轮评审。初步完成了TMSR实验堆的源项分析和安全设计准则。

2012年CAS-DOE NEMOU执委会在中国科学院上海分院召开　　 2014年CAS-DOE NEMOU执委会会议在美国橡树岭国家实验室召开

四十年前，我国开始了钍基熔盐堆的研发，但限于当时的技术条件，研发工作在上世纪70年代初停止。随着科学技术的进步、工业能力的提升以及能源需求的增长，我国于2011年通过部署TMSR先导专项重新启动了钍基熔盐堆研究。迄今为止，尽管专项已在熔盐堆原型系统与关键技术研发方面取得一系列重要成果，但整体看钍基熔盐堆研发仍是一项极富挑战的长期任务，完成这项任务还需要国内跨行业、跨部门的技术协作，需要借助国际先进的研发经验。未来，专项研究团队将立足眼前，兼顾长远，开拓创新，联合攻关，继续高效推进专项顺利实施，力争使熔盐堆尽快从实验室走向工业应用，进而实现钍基核燃料的高效利用与核能综合利用。