熔鹽冷卻反應堆是指使用熔鹽作反應堆的冷卻劑。核裂變放出的能量主要被裂變碎片以動能形式帶出，通過碎片的碰撞減速，以熱能釋放。其他輻射能也轉變成熱能。流經堆芯的冷卻劑把熱帶出並通過熱交換器傳給另一傳熱介質後再循環回堆芯，構成反應堆的熱交換迴路。冷卻劑必須是中子吸收截面低的物質，並具有良好的傳熱和流動性。
基本介紹
- 中文名：熔鹽冷卻反應堆
- 外文名：Molten salt cooled reactor
- 套用學科：能源工程
- 範疇：工程技術
概述,發展歷程,
概述
熔鹽冷卻反應堆是指使用熔鹽作反應堆的冷卻劑。核裂變放出的能量主要被裂變碎片以動能形式帶出，通過碎片的碰撞減速，以熱能釋放。其他輻射能也轉變成熱能。流經堆芯的冷卻劑把熱帶出並通過熱交換器傳給另一傳熱介質後再循環回堆芯，構成反應堆的熱交換迴路。冷卻劑必須是中子吸收截面低的物質，並具有良好的傳熱和流動性。
水是良好的冷卻劑，在第一座生產反應堆中就已使用，至今仍是大多數動力反應堆採用的冷卻劑。以水為冷卻劑的反應堆稱水反應堆。用水作冷卻劑的嚴重限制是它的蒸氣壓高。在動力堆中，可將壓力保持在約150大氣壓，這樣，300℃時水仍不沸騰，這種反應堆叫做壓水堆；另一種反應堆內壓力保持在70大氣壓，因而水沸騰成蒸汽，這種反應堆叫做沸水堆。在這兩種堆中水既是冷卻劑又是慢化劑。
與液體相比，氣體由於密度低而傳熱性較差，但可通過增加壓力加以改善，以氣體為冷卻劑的反應堆稱氣冷反應堆或氣冷堆。氦氣是最常用的氣體冷卻劑，它化學上是惰性的，熱力學性質和核性質都好，已在高溫氣冷堆中使用。二氧化碳則在某些溫度較低的氣冷堆中使用。
液態金屬，特別是液態鹼金屬有極好的傳熱性，而且在動力堆運行溫度下蒸氣壓很低。其中鈉是最常用的冷卻劑，因為它的熔點較低（97.81℃），容易獲得，它的核性質對於快中子反應堆特別合適，但它的化學性質活潑，遇水時反應劇烈，在使用中必須特別注意。
熔鹽（如混合氟鹽）和有機物（如三聯苯）等都曾考慮用作反應堆的冷卻劑。
發展歷程
熔鹽堆是將核燃料融在用作冷卻劑的液態氟化鹽中的一種液態燃料堆。液態氟化鹽既用作冷卻劑，也用作核燃料的載體。當冷卻劑流出反應堆芯時，可以利用乾法分離技術（將乏燃料融於液態熔鹽中，利用電化學等方式進行元素分離）實現同位素（包括增殖產物和裂變產物）的線上分離（或原位離線分離）。
美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）於1954年製造出使用
。熔鹽載體的2.5MW空間動力試驗反應堆（ARE）。1963年建成了8MW的熔鹽增殖試驗堆（MSRE），大約運行了5年，很少發現有操作上的困難。以上試驗證實：
（71-16-12-0.3mol%）成功用於熔鹽增殖堆具有非常好的輻射穩定性；石墨作慢化劑與熔鹽相容；Hastelloy N合金成功套用於反應堆容器、迴路管道、熔鹽泵、換熱器等部位，腐蝕被控制在低水平；中子經濟性和固有的安全性；反應堆在工作常壓，出口溫度可達700℃左右；裂變產物氪和氙可從熔鹽中分離；熔鹽堆可使用不同的燃料，包括
、
和
。MSRE是第一座曾全部使用
運行的反應堆，證明熔鹽堆的技術非常適合用作釷鈾燃料循環，理論上可以實現完全的釷鈾燃料閉式循環。20世紀70年代，ORNL又設計了1000MW的熔鹽增殖堆（MSBR），並著手關鍵技術的研發和工程的組建。該項目儘管已有良好的科學技術基礎和工業界的支持，但由於當時冷戰需求大於能源需求，熔鹽堆最終被美國官方終止。
熔鹽堆的概念在上世紀末和本世紀初受到科學界新的重視。不僅被選為第四代反應堆的6個候選堆型（日本的Fuji-MSR），而且在傳統的熔鹽堆基礎上發展出多種不同的設計，以用於不同的目的。熔鹽堆可設計成熱中子堆，也可設計成快中子堆；專用於釷基核燃料循環的熔鹽堆也稱之為釷基熔鹽堆（或液態釷基熔鹽堆）；加速器驅動次臨界堆技術的套用有可能降低線上分離的難度。這些設計包括法國的MSFR、俄羅斯的MOSART等。
圖1顯示熔鹽堆是將核燃料融在用作冷卻劑的液態氟化鹽中，當燃料鹽流出反應堆芯時，可以利用乾法分離技術實現增殖產物和裂變產物的線上分離。反應堆系統包含石墨堆芯、一迴路和中間迴路、功率轉換系統、冷凍閥、熔鹽排放罐、線上化學處理廠等。
圖1美國科學家本世紀初提出的氟鹽冷卻高溫堆（Fluoridesalt-cooledHightemperatureReactors，FHRs），用氟化熔鹽作為反應堆的冷卻劑，工作在常壓下（小於10個大氣壓），反應堆出口溫度設計為700℃、850℃和1000℃3種。採用碳化矽密封、石墨包敷的燃料顆粒（TRISO）作為核燃料，700℃反應堆所需要的熔鹽材料和結構材料技術已經成熟，出口溫度850℃和1000℃的堆用材料尚需研發。FHRs整體設計上還結合了非能動池式冷卻技術、自然循環衰變熱去除技術和布雷頓循環技術等成熟技術，達到了固有安全性[唑則。初步研究表明FHRs可以克服高溫氣冷堆的缺點，同時保留其優點。FHRs集成了熔鹽堆、氣冷堆、鈉冷堆、壓水堆的優點，具有安全性、經濟性、防核擴散和高效率利用核燃料（包括釷基核燃料在內）等特點。FHRs具備的自然循環、無水冷卻性能使其可以建於地下、也可以建於乾旱地區。FHRs高能量密度的特點也使其成為未來小型模組堆的有力競爭者。球床型FHRS可不停堆連續更換燃料，也可在改進的開環模式實現釷鈾燃料循環，提高釷基核燃料的使用率，所以球床型FHRs也可稱為固態釷基熔鹽堆。
