能源模块2 细节设计

由于现今商用核反应堆对于水有大量的依赖，难以在广大内陆和缺水地区推广。为解决此问题，我们将使用钍基熔融盐反应堆。该反应堆以熔融盐为介质，能大量减少对水的使用。因此应用场景广，能满足不同类型条件的世界运行。

一、原理

。当中子轰击裂变核（233U或者235U）时发生裂变反应，裂变核分裂成两块大小相近的裂变产物碎片，同时每次裂变会平均释放出两个以上的中子。其中一个中子用来增殖裂变核，即通过和232Th反应生成233Th，再经过两次β衰变后生成233U达到增殖的目的；另一个中子可以轰击233U，发生裂变反应，产生新一代的中子以维持链式裂变反应。

钍基熔盐堆核能系统的主冷却剂是一种熔融态混合盐，可在高温下工作以获得更高的热效率，还可保持低蒸汽压从而降低机械应力。核燃料既可以是固体燃料棒，也可以熔于主冷却剂中，从而无需制造燃料棒，简化反应堆结构，使燃耗均匀化，并易于实现在线燃料后处理。液态燃料TMSR的基本结构及功能划分如图所示。

主要包括堆本体、回路系统、换热器、燃料盐后处理系统、发电系统及其他辅助设备等。堆本体主要由堆芯活性区、反射层、熔盐腔室/熔盐通道、熔盐导流层、哈氏合金包壳等组成，反应性控制系统、堆内相关测量系统、堆芯冷却剂流道等布置在堆本体相应的结构件中，其主要功能是容纳堆芯中的石墨熔盐组件、堆内构件及相关的操作与控制设施。回路系统由一回路带出堆芯热能，二回路将一回路熔盐热量传递给第三个氦气回路推动氦气轮机做功发电。燃料盐后处理系统包括热室及其工艺研究设备、涉Be 尾气处理系统、放射性三废处理系统及其他辅助系统，主要功能是对辐照后的液态燃料盐进行在线后处理，回收并循环利用燃料和载体盐。

二、优势

1、钍基核燃料

（1）232Th/233U 的转换效率高：232Th 的热中子俘获截面（7.4barns）比238U（2.7barns）约高3 倍，而233U 的热中子俘获截面（45.76barns）比239Pu（270.33 barns）小得多。这意味着在热堆中233U 的产出率高于239Pu，而233U 的损耗率低于239Pu3。

（2）钍基核燃料在热中子堆中也能增殖：233U 的裂变截面与239Pu 相差不大，但在热中子区233U 一次裂变所产生的中子平均数比239Pu 大0.2 左右，因此中子经济性更好。

（3）钍基燃料产生较少的高毒性放射性核素：由于233U 的热中子俘获截面（45.76barns）比239Pu（270.33barns）小得多，与铀钚循环相比，在热堆中钍铀燃料循环产生的钚和长寿命次锕系核素要少得多。此外，232Th 要吸收9 个中子才能到达次锕系核素241Am（镅），而238U 则只需要吸收3 个中子即到达次锕系核素241Am（镅）。因此，钍基核燃料在反应堆中产生的次锕系核素比铀基核燃料少，毒性相对较低。

（4）有利于防核扩散：233U 通过（n，2n）反应产生232U，232U 的衰变链产生短寿命强γ 辐射（辐射的γ能量为2—2.6MeV）的208Tl（铊），这种固有放射性障碍增加了化学分离的难度和成本，且易被核监测。

（5）钍和氧化钍化学性质稳定：耐辐照、耐高温、热导性高、热膨胀系数小、产生的裂变气体较少，这些优点使得钍基反应堆允许更高的运行温度和更深的燃耗。

2、钍基熔盐堆技术

（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。

（2）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。

（3）热功率密度高、适合小型模块化设计：由于一回路的高温、低压特性可以使堆芯结构更为简单，因此可以设计成具有较高功率输出的小型反应堆。军用方面，由于运行无需控制棒、不停堆换料、寿命长、功率易调等特点。

三、原料及设计

1、原料

熔盐反应堆是液体燃料反应堆，将铀、钚及其他锕系元素融入高温熔融的钠、锆的氟化盐作为燃料和冷却剂，采用石墨减速剂。堆芯使用Li、Be、Na、Zr等的氟化盐以及溶解的U、Pu、Th的氟化物熔融混合作为燃料。。其中LiF、NaF、BeF2、ZrF4 为载体盐，提供熔融载体并改善共熔体的物理化学性质；UF4和PuF3，为裂变燃料，产生热量和中子：ThF4和UF4为增殖燃料，吸收中子产生新的裂变燃料U或Pu，并经在线萃取处理后重新进入反应循环。

2、设计

TMSR-SF1 的主要系统采用两回路设计，一回路的工作介质为FLi-Be 熔盐，系统由反应堆本体、控制棒、循环泵、熔盐-熔盐换热器、溢流罐和相关管路、阀门等组成，通过该一回路系统将反应堆堆芯热量有效传递至二回路中；二回路的工作介质为FLiNaK 熔盐，系统通过熔盐-熔盐换热器的热交换，带出一回路热量，并通过熔盐-空气换热器将一回路的热量有效传递至空气中。TMSR-SF1 一回路系统的设计压力为0.5 MPa，堆芯入口熔盐温度为600℃，堆芯出口熔盐温度为628℃。

TMSR-SF1 反应堆本体结构主要设备有反应堆容器、堆内构件、堆芯、反应堆容器支承、控

制棒驱动机构等，如图1 所示。反应堆结构总高

约12870 mm，最大外径约8660 mm

3、循环

熔盐反应堆芯底部下方设计了一个冷冻易熔塞，当反应堆过热时，温度超过预设值，这个冷冻易熔塞会自动熔化，携带核燃料的熔融盐就全部流人一个专门的应急储存罐内。裂变物质离开了反应堆芯．核反应就不会达到临界，链式核反应就会自动终止．故反应堆非常安全。因为钍可溶于氟化盐液，将钍基氟化盐溶液倒进反应堆芯的管道中，熔盐循环系统就可以让核反应堆自动调节。当携带核燃料的熔融盐温度太高时，熔融盐就会膨胀溢出管道．从而减缓核裂变，保证反应堆安全。熔盐反应堆的熔盐循环系统包括下列设备：熔盐反应堆、燃料盐贮罐、冷却盐贮罐、应急熔盐储存罐、燃料熔盐热交换器、冷却熔盐热交换器、氦气回热器、氦气冷却器、燃料盐循环泵(一次泵)、冷却盐循环泵(二次泵)、压氦气机、熔盐融化保温装置、熔盐输送管路预热保温装置、熔盐防冻抗冻和解冻装置、熔盐冷冻易熔塞装置、熔盐在线净化后处理装置、熔盐安全防泄漏装置、配套辅机和阀门仪表、电控装置等。

4、熔盐后处理

使用氟化法将四氟化铀变成气相的六氟化铀，去污因子达到10 ．被认为是最佳回收燃料铀的方法之一。采用氦气鼓泡方式去除气态具有中子毒性的裂变产物。被认为是在线处理去除裂变产物的最有效手段之一。使用真空蒸馏法可以有效净化氟盐，是去除非气相裂变产物的有效方法，但对高温真空蒸馏设备的要求比较苛刻．一般采用石墨衬底材料。如果采取无机介孔吸附和真空蒸馏相结合．有可能使去除裂变产物的效率大幅提高。同时必须设置各种气体处理设备，用于对氚气、氟气、氦气进行净化和吸附处理。