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观察|中国引领四代核能革命:钍基熔盐堆,比聚变更有希翼的终极能源?,运行,核燃料,实验堆
2025-04-17 00:57:53
观察|中国引领四代核能革命:钍基熔盐堆,比聚变更有希翼的终极能源?,运行,核燃料,实验堆

低(di)调的钍基(ji)熔盐堆,传来(lai)新消息。据新华社(she)报道,全球唯一的钍基(ji)熔盐堆已在甘肃省武(wu)威市民勤县建成运行,正加快推进更大规模的工业应用。

固有安全性突出且能够长期保障核(he)燃料需求、解决核(he)废(fei)料问题的钍基(ji)熔盐堆,之于(yu)“富钍贫铀(you)”的中国有着特殊意义(yi)。

“目前,大家(men)正与国内工业界开展紧密合作(zuo),加快推动钍基(ji)熔盐堆的工业示范和应用。由于(yu)很(hen)多关(guan)键(jian)材料和技术都是大家(men)自主研发的,可以直接产业化,形成供应链。”曾任中国科学院上海(hai)应用物(wu)理研究所所长、钍基(ji)熔盐堆核(he)能系统先导(dao)专项负责人的徐洪(hong)杰(jie)研究员日前在中国科学院上海(hai)分院的内部论坛上表示,在甘肃武(wu)威的茫茫戈(ge)壁荒漠中,科研团队不发论文,也不申请任何奖(jiang)项,埋头(tou)八年多,建设2MWt液态燃料钍基(ji)熔盐实验堆。

徐洪(hong)杰(jie)介(jie)绍了一组时间表:2023年10月11日11点08分,2MWt液态燃料钍基(ji)熔盐实验堆首次实现临界反应;2024年6月17日10点12分,首次达到满功率(lu)运行;2024年10月,完成世(shi)界上首次熔盐堆加钍实验,成为目前世(shi)界上唯一运行的钍基(ji)熔盐堆(综合实验平台)。

实验堆并非商业运行电站。我国的钍基(ji)熔盐堆能源系统(TMSR)制定了实验堆、研究堆、示范堆三步走发展战略。根(gen)据规划,还将在甘肃建立世(shi)界首座小(xiao)型模块化钍基(ji)熔盐研究堆,用于(yu)高功率(lu)、高辐照工况下钍基(ji)熔盐堆科知识题与关(guan)键(jian)技术的工程热验证。

澎湃资讯(wen)注意到,研究堆即将上马:中国科学院上海(hai)应用物(wu)理研究所去年披露的《小(xiao)型模块化钍基(ji)熔盐堆研究设施环境影(ying)响报告书(选址阶段)》显示,拟在甘肃省武(wu)威市建设十兆瓦电功率(lu)(10MWe)小(xiao)型模块化钍基(ji)熔盐堆(设计(ji)最大热功率(lu)60MWt),按照2025年年内破(po)土动工、2030年首次临界并满功率(lu)运行为目标推进工作(zuo)。

研究堆的意义(yi),在于(yu)通过(guo)系统集(ji)成及验证,为大型商业堆的建设提供必要的技术、数据及经验。有了研究堆和示范堆,钍基(ji)熔盐堆才具备(bei)在更多省份落成的基(ji)础。

钍和熔盐堆,堪称黄金搭档,熔盐堆是最适(shi)合钍基(ji)核(he)燃料高效(xiao)利用的堆型。钍基(ji)熔盐堆技术属(shu)于(yu)热中子增殖堆,能将钍转化为可裂变的铀(you)-233。

资料显示,我国已查明的钍工业储量(liang)约28万吨。初步估算(suan)若能实现钍基(ji)核(he)燃料的完全循环利用,可供使(shi)用几千年以上,将确(que)保国内能源的自给自足。地球上钍资源总储量(liang)是铀(you)资源的3~4倍,钍基(ji)核(he)燃料的有效(xiao)利用对于(yu)人类发展也有着巨大的价值。

除了储量(liang)碾压之外,基(ji)于(yu)钍铀(you)循环的熔盐堆可同时满足物(wu)理防核(he)扩散、核(he)废(fei)料最小(xiao)化等(deng)特点。铀(you)裂变会产生(sheng)很(hen)多半衰期较长的超铀(you)元素,钍反应堆能比铀(you)燃料反应堆产生(sheng)更少的长寿命核(he)废(fei)物(wu)。此外,熔盐堆采用无(wu)水冷却(que)技术,只需少量(liang)的水即可运行,适(shi)用于(yu)干旱地区(qu)。

综上,作(zuo)为“四代堆”的热门候选堆型,钍基(ji)熔盐堆的固有安全性高、核(he)废(fei)料少、防扩散性能和经济性更好等(deng)优点使(shi)其成为近年来(lai)国际先进核(he)能研发的热点。但(dan)在此之前,该(gai)技术沉寂已久(jiu)。

熔盐堆研发始(shi)于(yu)20世(shi)纪40 年代末的美国,主要目的是美国空军为轰炸机寻求航空核(he)动力(li)。得益于(yu)氟化熔盐冷却(que)剂的高热容、高热导(dao)、高沸点以及低(di)蒸汽压等(deng)特点,熔盐堆在本征安全性以及经济性上具有极大的优势和潜力(li)。1954年,美国橡树岭国家实验室建成第一个熔盐堆实验装置ARE,功率(lu)为2.5MW。战略弹道导(dao)弹的迅速发展使(shi)核(he)动力(li)轰炸机的研发失去了军事(shi)应用价值,因此熔盐堆的研发于(yu)20世(shi)纪60年代转向民用。

橡树岭国家实验室在1965年建成液态燃料熔盐实验堆,这是迄今世(shi)界上唯一建成并运行的液态燃料反应堆,也是唯一成功实现钍基(ji)核(he)燃料(铀(you)-233) 运行的反应堆。但(dan)由于(yu)彼时“冷战”的考虑,侧重于(yu)民用的熔盐堆计(ji)划下马,美国熔盐堆研发中止。20世(shi)纪70年代初,中国也曾选择(ze)钍基(ji)熔盐堆作(zuo)为发展民用核(he)能的起点,但(dan)限于(yu)当时的科技、工业和经济水平,后转为压水堆,也就是秦山一期工程。

2011年,中科院围绕国家能源安全与可持续发展需求,部署启(qi)动了首批中科院战略性先导(dao)科技专项(A类)“未来(lai)先进核(he)裂变能——钍基(ji)熔盐堆核(he)能系统(TMSR)”,计(ji)划用20年左右的时间,在国际上首先实现钍基(ji)熔盐堆的应用,同时建立钍基(ji)熔盐堆产业链和相应的科技队伍。2017年4月,甘肃省武(wu)威市与中科院签订了在该(gai)市民勤县建设钍基(ji)熔盐堆核(he)能系统项目的战略合作(zuo)框架协(xie)议,该(gai)项目分两期建设,总投资220亿元。2018年9月,该(gai)项目开工建设。

基(ji)于(yu)钍基(ji)熔盐堆的核(he)能综合利用前景

中国科学报曾报道,在甘肃的钍基(ji)熔盐实验堆建于(yu)地下,相当于(yu)给它“套了个金钟罩”。

据文汇报报道,徐洪(hong)杰(jie)在前述论坛上,提到了一个尽人皆知的故事(shi)——龟(gui)兔赛跑。“兔子总有犯(fan)错、偷懒的时候,这就是乌龟(gui)跑赢的机会。”徐洪(hong)杰(jie)坦言,美国在核(he)技术领域的积累远超世(shi)界上的任何一个国家,但(dan)中国只要锚(mao)定目标,就一定可以找到赶超的机会,钍基(ji)熔盐堆就是这样一个机会。

目前,中国的钍基(ji)熔盐堆研究进展已处于(yu)国际前列。按照中科院应物(wu)所多年前的规划,目标到2030年左右全面实现掌握钍基(ji)熔盐堆核(he)能系统的相关(guan)科学与技术,基(ji)本完成工业示范堆建设和基(ji)于(yu) 钍基(ji)熔盐堆的低(di)碳新能源示范装置建设,开展熔盐堆的商业化推广;到2040年左右建成首座百吨级钍基(ji)乏燃料盐干法批处理示范装置和在线部分分离固态裂变产物(wu)示范装置,基(ji)本实现钍铀(you)燃料循环。

参照目前的进展,虽有四年左右的迟滞,但(dan)中国仍是钍基(ji)熔盐堆技术商业化的引领者。

业内有观点认为,基(ji)于(yu)当前的技术进展,钍基(ji)熔盐堆的实现难度和技术瓶颈(jing)都比所有人心目中的终极能源——核(he)聚变要小(xiao)很(hen)多。尽管全球科学家已投入数十年研究,可控(kong)核(he)聚变发电的商业化应用可能仍需等(deng)到2050年前后。

值得注意的是,2023年12月,中国船舶集(ji)团有限企业旗下江南造船(集(ji)团)有限责任企业正式发布全球首型、世(shi)界最大24000箱核(he)动力(li)集(ji)装箱船船型。据介(jie)绍,该(gai)型船采用国际上先进的第四代堆型熔盐反应堆解决方案,安全性高、反应堆高温低(di)压运行,在原理上规避堆芯融化,具备(bei)防扩散与固有安全特征。

该(gai)船型无(wu)需耐(nai)高压容器与管路,即便发生(sheng)破(po)口事(shi)故,在环境温度下迅速凝(ning)固,事(shi)故后除正常(chang)停(ting)堆手(shou)段外还可以把熔料盐排出堆外,实现快速停(ting)堆、防止事(shi)故扩展。根(gen)据江南造船披露的细节,该(gai)船型相对于(yu)传统船型动力(li)系统布置更为紧凑,可提供更多箱位;取消了传统烟(yan)囱机舱棚,采用首房(fang)舱方案,核(he)电舱位于(yu)舯部。

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