釷基熔鹽反應堆中熔鹽冷卻回路的分析研究

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

上海熱油爐設計開發中心（上海 200042）

純金屬釷（Th）的顏色為銀白色，在空氣中氧化為暗紅色。粉末狀金屬釷在空氣中可燃，但塊狀釷性質穩定。金屬釷具有良好的可塑性和延展性，且易于鍛造。天然釷只有釷232，它具有α粒子放射性，半衰期為1.39×1010年。釷的主要來源為磷酸鹽稀土礦——獨居石，其中磷酸釷含量最高達12%，平均為6%～7%。據估計，全世界釷的儲量為鈾的3～4倍。我國內蒙古自治區白云鄂博市的釷礦儲量為22.1萬t；全國釷礦儲量為28.6萬t，僅次于世界第一的印度（儲量為34.3萬t），約為鈾礦儲量的6倍。由于天然釷帶有放射性，故它既是潛在的核能資源，又屬于放射源，因此需要充分注意以防止其污染環境。

釷增殖反應堆使用低能量的熱中子，所以，它比鈾-钚燃料循環（需要難于處理的快中子）增殖反應堆安全得多。釷燃料循環反應堆具有安全性高、燃料長期充裕以及無需昂貴的燃料濃縮設施等優點。釷作為熔鹽反應堆燃料使用后，只留下極少量的廢料，而且這些廢料只需要貯存幾百年。相比之下，其他核副產品則要貯存幾十萬年。釷還是少數幾種可作熱增殖堆燃料的物質之一，理論上在分裂維系無窮高溫連鎖反應的同時會產生足夠多的新燃料。此外，幾乎不可能將釷反應堆的副產品用于加工核武器。

1 釷基熔鹽反應堆

釷可溶于氟化鹽溶液，釷基熔鹽反應堆的設計正是基于該原理。釷基熔鹽反應堆以釷作為核燃料，以熔融鹽（液態氟化物）為冷卻劑，以石墨為中心慢化劑；釷每吸收一個中子，立刻產生2～3個中子，遠多于鈾235裂變。由于用熔融鹽作冷卻劑，因此可以將其溫度加熱到很高（約為800℃），這樣一方面可以盡可能地充分燃燒核燃料，另一方面又可以極大地提高汽輪發電機的輸出功率。由于熔融鹽沸點很高（約為1400℃），所以不用考慮高壓供給問題，其在正常大氣壓下即可工作。

利用外界高濃度鈾235的中子去轟擊釷，釷元素吸收一個中子之后就轉變為釷233，此時釷就有了放射性；釷233再經過衰變就轉變成自然界不存在的鈾233，而鈾233就是產生核裂變的燃料。另外，釷232還有一個顯著特征：中子轟擊一旦終止，釷232就不再轉變成釷233，于是鏈式裂變終止。該特征對反應堆的好處就是一旦發生意外故障，只要終止對釷的轟擊就可以保證熔鹽反應堆的安全。

在釷基熔鹽反應堆區域內沒有高壓蒸汽，只有低壓的熔融鹽，這意味著熔鹽反應堆的堆芯不會發生蒸汽爆炸，并且不需要輕水堆中最昂貴的部件——堆芯的高壓蒸汽容器殼，取而代之的是用金屬板材建成的熔融鹽儲罐和低壓熔融鹽管道。所用材料哈斯特洛合金-N[x(Mo)=17%，x(Cr)=7%，x(Fe)=5%，x(Ni)=71%]是一種稀有的抗高溫、耐腐蝕鎳合金，但該材料的用量大幅度減少，并且薄金屬的成型與焊接都不昂貴。因此，熔鹽反應堆外殼體積就可以大幅度減小。總之，釷基熔鹽反應堆可以做到很大規模，也可以做成小巧型。

1947年美國橡樹嶺國家實驗室為研制核動力飛機，開始對熔鹽反應堆進行研究，1954年建成了熔鹽實驗堆，該高溫反應堆的峰值溫度為860℃，熱功率為2.5 MW，采用NaF-ZrF4-UF4（3種物質的物質的量分數為53%，41%，6%）熔鹽作為燃料，堆芯采用BeO六棱柱構件作為慢化劑。燃料鹽在穿過慢化劑構件的合金管中流動，入口溫度為650℃，出口溫度為820℃，燃料總體積為38.8 L，鈾235的臨界質量為14.9 kg。該熔鹽反應堆共運行1000 h，其中從臨界到停堆歷時約220 h，功率達到兆瓦量級的時間為74 h。

1965年，美國橡樹嶺國家實驗室建成了一座8 MW的熔鹽反應實驗堆，共運行13000 h。其熔鹽反應堆主要由反應堆容器、一回路系統、二回路系統、熔鹽貯存系統、熔鹽排放系統，以及散熱系統構成。熔鹽反應堆的堆芯容器罐體高約2 350 mm，直徑約為1500 mm。石墨慢化劑棒長1 600 mm，邊長50.8 mm，將其4個面鑿出“U”型孔道，與相鄰石墨棒面上的“U”型孔道拼成熔鹽燃料的通道，燃料通道組成的活性區直徑為1 400 mm。從頂部看，石墨慢化劑棒與燃料通道外層為10 mm厚的反應堆罐，最外層是反應堆殼體，其材料為哈斯特洛合金-N。熔鹽從燃料入口流進反應堆罐底部形成“堆罐底部燃料區”。燃料熔鹽由防渦流葉片引導向上流入由石墨慢化劑棒組成的燃料通道，然后流入反應堆罐頂蓋處形成的“堆罐頂部燃料區”，最后由反應堆出口通道流入燃料出口管道。熔鹽流速為1.514 m3/min，堆體積不到2 m3，實驗采用的熔鹽燃料為7LiF-BeF2-ZrF4-UF4（物質的量分數分別為65%，29.2%，5%，0.8%），冷卻鹽為7LiF-BeF2（物質的量分數分別為66%，34%）。同時為了實現最大的增殖化，反應堆耦合了一個熔鹽后處理系統。

熔鹽反應堆實驗裝置的實驗結果證明，燃料熔鹽、增殖燃料熔鹽與哈斯特洛合金-N以及石墨之間具有良好的兼容性。熔鹽對哈斯特洛合金的腐蝕速率為5.08 μm/a，并且長期輻照基本不影響其力學特性。因此，哈斯特洛合金-N被公認為是熔鹽反應堆最合適的結構材料，可用于制造堆芯包殼、管道、結構組件等。另外，燃料熔鹽對石墨的滲透率很低，實驗得到的堆積滲透率為0.2%，比堆芯可以接受的水平還要低很多。

2 熔鹽循環冷卻回路的研究

熔鹽反應堆內既有燃料熔鹽，又有作為慢化劑和冷卻劑的流動高溫熔鹽，這使得熔鹽反應堆技術成為完全不同于傳統反應堆的一種全新的核反應堆技術。熔鹽反應堆采用熔融于BeF2，NaF，LiF等氟鹽中的ThF4或UF4形成的液態融合物作為燃料，含有裂變核素和增殖核素的熔鹽由熔鹽泵帶動流過由石墨慢化劑組成的燃料孔道，堆芯入口溫度為500℃。燃料在堆芯達到臨界，裂變產生的熱量由熔鹽本身帶出堆芯，出口溫度高達700℃，但遠低于熔鹽的沸點（1400℃）。從堆芯出口管道流出的高溫燃料熔鹽通過熱交換器一次側將熱量傳遞給二回路的冷卻熔鹽，再通過熱交換器二次側傳遞給三回路的蒸汽用于推動蒸汽渦輪機發電。而通過熱交換器一次側的熔鹽會流經化學處理廠進行后處理，來提取用于增殖的核素以及部分超鈾核素，得到的凈化鹽再從堆芯入口管道進入堆芯。液態燃料熔鹽堆因其可將熔鹽直接融于冷卻劑中，并可在線處理核乏燃料，是國際上公認的適合釷基核燃料的堆型。

釷基熔鹽反應堆中的熔鹽循環系統包括下列設備：釷基熔鹽反應堆、燃料鹽貯罐、冷卻鹽貯罐、熔鹽堆排鹽罐、熔鹽熱交換器、熔鹽蒸汽發生器、燃料鹽循環泵、冷卻鹽循環泵、蒸汽渦輪發電機、熔鹽熔化保溫裝置、熔鹽輸送管路預熱保溫裝置、熔鹽冷凍易熔塞裝置、熔鹽在線凈化后處理裝置、熔鹽安全防泄漏裝置、配套輔機和閥門儀表、電腦自動控制監測裝置等[1]。

釷基熔鹽反應堆的堆芯底部下方設計了一個冷凍易熔塞，另外還設計了一個循環系統之外的非臨界熔鹽存貯裝置。當釷基熔鹽反應堆過熱，溫度超過預設值時，冷凍易熔塞會自動熔化，利用重力作用在很短的時間內排空釷基熔鹽反應堆內的燃料鹽，使攜帶核燃料的熔融鹽全部流入一個專門的應急貯存罐內。裂變物質離開釷基熔鹽反應堆，核反應就不會達到臨界，鏈式核反應就會自動終止，所以釷基熔鹽反應堆的安全性非常高。

當釷基熔鹽反應堆冷卻后，燃料鹽會放射性地產生化學性質活潑的腐蝕性氣體——氟。盡管過程緩慢，但是仍需在停堆關閉前移除燃料鹽和廢料，以避免非放射性氟氣的產生。而且當與水汽接觸時，氟鹽會生成氫氟酸，所以，當熔鹽反應堆停堆、廢棄或被淹沒時，會釋放出氫氟酸霧，進而會有一些慢性腐蝕發生在哈斯特洛合金-N的表面。如果熔鹽反應堆暴露在氫中，會形成HF腐蝕性氣體，從而使腐蝕速率加快。因此，反應堆中的熔鹽實際上是運行在干燥的惰性氣體（通常是氦氣）中的。氦氣既能夠帶出循環系統運行過程中的裂變產物，也可以作為熔鹽傳輸的動力源，還可被當作一種檢測介質，用來檢測設備與管道是否泄漏。

釷基熔鹽反應堆填充熔鹽時，通過對燃料鹽貯罐充入氦氣，并產生一定壓力使燃料鹽進入到釷基熔鹽反應堆的一回路系統中。同時向冷卻鹽貯罐充入氦氣，具有一定壓力的氦氣通過輸送管線使冷卻鹽進入熔鹽反應堆的二回路系統中。清排熔鹽時，熔鹽在自身重力作用下自動排入熔鹽貯罐中。所以，熔鹽的管路必須有合理的彎曲度，以避免殘余熔鹽滯留，且熔鹽貯罐必須安置在最低處。在循環系統停止運行時，為了防止貯罐內的熔鹽凝固，可以安裝電加熱器，將其溫度保持在熔點以上[2]。

3 熔鹽最高液膜溫度的計算

熔鹽循環冷卻回路中的熔鹽流量不能過大，否則熔鹽泵的功率和造價會增大；熔鹽流量也不能過小，否則熔鹽的溫度將會被迫升高，導致局部過熱現象發生[3]。在熔鹽循環冷卻回路的設計開發中，應保證熔鹽設備和管路內熔鹽的流速合理、準確。如果熔鹽流速過高，設備和管道內阻力降過大，熔鹽泵的動力消耗將增多，且設備和管路的內壁面因沖刷受到磨損。熔鹽流速過低時，熔鹽會呈現出層流狀態，這不僅影響傳熱效果，還會造成熔鹽流體傳熱不均勻。

熔鹽設備和管道內熔鹽與管壁表面摩擦時會產生液體的邊界層，邊界層內存在溫度梯度，邊界層內緊貼管壁表面的熔融鹽流體流速最低，但溫度最高，其溫度稱為熔鹽液膜溫度。如果熔鹽液膜溫度過高，邊界層內熔鹽的熱分解率就會過高；熔鹽液膜溫度越高，分解反應越劇烈，而分解產物不具有流動性，只能以沉積物的形態沉淀在管道內壁，甚至堵塞管道。熔鹽反應堆長期過熱運行后，管道受熱面就會因熔鹽熱分解結焦，導致出現管壁過熱現象。因此，應確定出熔鹽最高液膜溫度產生的位置，并準確計算出熔鹽最高液膜溫度。通常，邊界層中熔鹽最高液膜溫度存在于受熱面上熱流密度最大處，或者熔鹽流動中雷諾數（Re）最小處。為了將管道中熔鹽邊界層內最高溫度控制在一個相對安全的范圍內，并且使熔鹽變質率處于可被接受的條件下，需要計算出熔鹽最高允許液膜溫度。

熔鹽反應堆中熔鹽管道內的最高液膜溫度計算公式如下：

式中：T為管道內熔鹽最高液膜溫度，℃；Tb為管道內熔鹽溫度，℃；△T為管道中邊界層內熔鹽的溫升，℃。

式中：qmax為熔鹽反應堆中受熱面的最大熱流密度，kJ/(m2·s)；α 為熔鹽管道內對流放熱系數，W/(m2·℃)；do為熔鹽管道的外徑，m；di為熔巖管道的內徑，m；φ為熔鹽反應堆中受熱面熱損失的修正系數。

為了保證熔鹽循環冷卻回路的安全運行，計算出的熔鹽最高液膜溫度不得超過所選用燃料鹽/冷卻鹽的最高允許液膜溫度。

4 熔鹽循環系統的設計開發與自動控制

首先，通過計算分析確定燃料鹽存貯量、冷卻鹽存貯總量和冷卻鹽循環流量，計算出燃料鹽貯罐和冷卻鹽貯罐的體積，同時設計出相應的結構型式；其次，設計開發出熔鹽反應堆芯底部下方的冷凍易熔塞的結構型式以及應急熔鹽貯罐，繪制出一次燃料鹽循環系統和二次冷卻鹽循環系統的管路圖，然后選擇燃料鹽泵、冷卻鹽泵及閥門儀表的規格型號；再次，計算出熔鹽熱交換器、熔鹽蒸汽發生器的結構尺寸，并且從設計角度確保燃料鹽和冷卻鹽的使用安全，另外配備相應的燃料鹽和冷卻鹽安全防泄漏、防輻射裝置，同時采用電伴熱系統防止熔鹽凝固甚至造成堵塞管路；最后，考慮熔鹽反應堆的在線化學后處理裝置，即核燃料鹽的在線凈化、吸附化學處理裝置的設計開發。

自動控制系統可以根據熔鹽循環冷卻回路的工藝要求，自動調節釷基熔鹽反應堆內燃料鹽/冷卻鹽的出口溫度、出口壓力、進出口溫差、進出口壓差、出口熔鹽流速、熔鹽流量等運行參數，并且能夠準確顯示、測量、記錄過程參數的變化，同時在熔鹽循環系統運行過程中，在線監測運行狀態和參數。當運行參數出現超限或運行狀態異常時，計算機自動控制系統將發出聲光報警，設備部件執行某種動作保護、甚至停止運行命令。

采用計算機智能化控制可以使釷基熔鹽反應堆在啟動和運行過程中始終處于監控中，并將熔鹽循環系統中燃料鹽/冷卻鹽的溫度、壓力、溫差、壓差、流速、流量通過人機界面動態地呈現出來，并使界面顯示的燃料鹽/冷卻鹽運動速率與流量計測定的熔鹽流量相關聯；同時對燃料鹽/冷卻鹽進行流量檢測和控制保護，并對燃料鹽一次泵/冷卻鹽二次泵的運轉情況進行監控和保護，如果發生不正常的狀況，即報警保護直至停止運行[4]。

5 結語

釷基熔鹽反應堆可以實現釷基核燃料的高效利用（高熱電轉換效率、最少的放射性廢物排放），并且有助于防止核燃料的擴散。釷基熔鹽反應堆的核廢料少，因此，釷基燃料在熔鹽反應堆內可以允許更高的燃料芯塊溫度和更深的燃耗，釷-鈾燃料循環比鈾-钚燃料循環所產生的放射性核素也更少。可見，釷基熔鹽反應堆核能系統更易于防止核擴散，而且在運輸過程中易于被監控。因此，釷基熔鹽反應堆核能系統的轉換效率高、適應性好。

釷基熔鹽反應堆中熔鹽循環冷卻回路裝置的設計開發，需在對釷基熔鹽反應堆中熔鹽循環冷卻回路與熔鹽最高液膜溫度進行分析研究，并根據釷基熔鹽反應堆的熱負載大小、熔鹽循環系統熱力計算、熔鹽管路系統流體輸送阻力計算、熔鹽輸送管路伴熱保溫條件、安全防泄漏的要求、自動控制監測等具體情況進行綜合分析計算的基礎上進行。

未來釷基熔鹽反應堆的兩個主要研究發展方向是：（1）大型核能發電站的釷基熔鹽反應堆；（2）小型核動力引擎的釷基熔鹽反應堆。通過發揮熔鹽高溫-低壓冷卻回路的技術優勢，使熔鹽能更有效地將熱量帶出反應堆芯，從而降低對熔鹽泵、熔鹽管道、反應堆芯尺寸的要求，使得這些裝置和部件的尺寸進一步縮小。在2～8 MW熱功率或1～3 MW電功率的型式內，可以設計成供給潛艇或飛行器所需要的小尺寸結構，且其能夠在60 s之內對熱負載變化作出快速反應，從而實現以釷基熔鹽反應堆作為核潛艇最佳動力或遠程轟炸機引擎的目標。

參考文獻：

[1]汪琦,俞紅嘯,張慧芬.熔鹽反應堆核能發電中熔鹽循環系統的研究[J].化工裝備技術,2015,36(4):6-9.

[2]汪琦.熔鹽加熱爐和熔鹽加熱系統的開發 [J].化工裝備技術,2000,21(2):40-43.

[3]汪琦,俞紅嘯.熔鹽加熱爐的結構設計和熔鹽過熱的研究[J].化工裝備技術,2012,33(5):39-42.

[4]汪琦,俞紅嘯,張慧芬.熱載體加熱爐結構與供熱循環系統智能化控制的應用研究 [J].化工裝備技術,2016,37(2):27-33.