大型氯鹽快堆中釷鈾及鈾钚循環(huán)分析

李曉曉 余呈剛 馬玉雯 蔡翔舟 陳金根 陳興偉

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學(xué)院先進(jìn)核能創(chuàng)新研究院 上海 201800）

3（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

熔鹽堆以熔融于載體鹽的錒系核素作為核燃料。載體鹽的陽離子為堿金屬離子（如Li+、Na+、K+、Rb+等）和/或堿土金屬離子（如Be2+等）。載體鹽的陰離子為鹵素離子，即F-和Cl-，分別對應(yīng)著氟鹽和氯鹽。F在自然界中唯一以19F存在；而Cl在自然界中有兩種同位素，為35Cl 和37Cl，它們的豐度分別為75.77%和24.23%。相對較重的載體鹽（含有大量高原子序數(shù)的元素，如Rb及更重元素），含低原子序數(shù)的元素組成的較輕的載體鹽有更好的傳熱性能［1］，可以作為一次或二次冷卻劑使用。綜合考慮核特性和熱物性，目前熔鹽堆設(shè)計中最常用的兩種載體鹽分別為 FliBe［2］和 NaCl［3］。為了提高堆芯的中子經(jīng)濟(jì)性，上述兩種載體鹽分別通過富集7Li和37Cl 來降低中子吸收。

從錒系核素溶解度的角度來看，氟鹽熔鹽堆的錒系核素溶解度較低（如錒系核素在400～600 ℃的FLiBe 中的溶解度為10%～20%［4-5］），而氯鹽熔鹽堆的錒系核素溶解度較高（如錒系核素在450～550 ℃的 NaCl 中的溶解度高達(dá) 65%［6］），因而有利于提高堆芯燃料裝載量和燃料循環(huán)性能。從中子能譜角度而言，主要考慮氟鹽和氯鹽對中子的吸收差別。氟鹽中所含輕元素的熱中子俘獲截面普遍比氯鹽小1個數(shù)量級以上（如含富集7Li 的F7LiBe 中的19F、7Li和9Be 的熱中子俘獲截面分為0.010 b、0.045 b 和0.009 b，而含富集37Cl的Na37Cl中的23Na和37Cl的熱中子俘獲截面分別為0.53 b和0.43 b）。由于氯鹽比氟鹽重（更重的鹽對應(yīng)的原子質(zhì)量數(shù)更高），因此，氯鹽熔鹽堆的中子能譜相對氟鹽熔鹽堆較硬［7］。……