熔鹽燃料反應堆是核裂變反應堆的一種，也是先進四代堆中唯一的液態燃料反應堆，其主要特徵是使用熔融的混合鹽同時作為核燃料載體和反應堆冷卻劑。反應堆運行時，核燃料和熔於載體鹽的裂變產物隨熔鹽在反應堆堆芯和熱交換器組成的一迴路中不斷循環流動，把裂變產生的熱量源源不斷地從反應堆內輸送到堆外。
基本介紹
- 中文名：熔鹽燃料反應堆
- 外文名：Molten-salt Fueled Reactor
- 反應堆冷卻劑：熔融的氟鹽
- 核燃料載體：熔融的氟鹽
簡介,技術優勢,熔鹽燃料反應堆的發展,技術難點,
簡介
熔鹽燃料反應堆是核裂變反應堆的一種，其主冷卻劑是一種熔融態的混合鹽，它可以在高溫下工作時保持低蒸氣壓，從而降低機械應力，提高安全性，並且比熔融鈉冷卻劑活性低。可在反應堆運行過程中對核燃料進行線上處理和線上添加，不需要製作燃料棒，適合使用釷燃料。
典型的熔鹽燃料反應堆[Molten-salt Fueled Reactor, MSFR]曾令許多核工程師激動。首推者是Alvin Weinberg，他取得了輕水反應堆的專利，並在美國橡樹嶺國家實驗室擔任主管。
在這裡，兩個概念得到了研究：具有高中子密度堆芯、燃燒從釷燃料循環中產生的鈾233的“雙流”反應堆，和吸收中子、並最終被轉換為鈾233的釷鹽層。在雙流方案被研發的時代，這個設計的弱點在於已知設計中複雜的管道工程，以及當時沒有合適的管道材料。通常的鋼鎳合金或是吸收過多的中子，或是極易被腐蝕。石墨被認為過於脆，並且在強烈的中子輻照下會輕微地膨脹。鋯對中子來說足夠透明，但暴露在熱氟鹽中極易被腐蝕。
這兩個問題隨後被橡樹嶺國家實驗室的研究人員解決。管道腐蝕問題通過在哈斯特洛合金-N中添加示蹤級的鈦而得到解決。
“雙流”方案中的釷鹽和鈾鹽通過工程師仔細地設計慢化棒的形狀（使堆芯與增殖層的中子密度相似），並調整燃料後處理的化學工藝，便可以在更簡單、造價更低廉但仍然有效的“單流”反應堆中共存。
Weinberg研究小組的有功率堆設計方案與前述用以驗證“堆芯與增殖層”釷增殖堆中的超高溫、高中子密度“堆芯”部分的MSRE類似。
技術優勢
熔鹽燃料反應堆作為先進的第四代堆具有眾多優勢，主要有以下四方面。
（1）氟化物熔鹽作為冷卻劑，與輕水堆和氣冷堆的冷卻劑水和氦氣相比，具有熱容量大、傳熱性能好、運行溫度高和系統壓力低等諸多優點，使得反應堆能夠在高溫常壓下運行，既能獲得更高的能量轉換效率，又保證有更高的安全性。
（2）熔鹽燃料反應堆有很高的本徵安全性。熔鹽燃料反應堆具有較高的負溫度係數，且設計有安全閥門，當熔鹽堆內熔鹽溫度超過預定值時，設在底部的冷凍閥將自動熔化，攜帶核燃料的熔鹽隨即全部流入應急儲存罐，使核反應瞬間終止。
（3）採用液體燃料熔鹽，無需其他反應堆所用的燃料元件。這不僅降低了研製費用，也避免了最為擔心的燃 料元件破損或熔融引起安全的風險。
（4）無需停堆就能直接抽取或補充燃料，抽取的燃料進行線上處理後就能返回熔鹽堆。其結果使得熔鹽堆反應性控制更加方便，且避免了大量的燃料儲備。
熔鹽燃料反應堆的發展
早在1954年美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）建成了功率為2.5MWt的世界上第一個使用NaF-ZrF4 共晶鹽為載體鹽的熔鹽燃料反應堆ARE。1960年ORNL開始建設功率為10MWt的熔鹽燃料反應堆試驗裝置MSRE，該裝置於1966年建成後分別用235U、233U及239Pu作為燃料進行了實驗，運行時間長達4年。此後的數十年間，印度、日本、俄羅斯、法國、加拿大和捷克等先後開展熔鹽堆的研究，並取得不同程度的進展，其中多個研究計畫都把釷的使用作為熔鹽堆套用的目標之一。2011 年釷基熔鹽堆核能系統 TMSR項目獲中國科學院批准，同年啟動，引起國內外同行的矚目。2012年12月美國DOE發 布了《先進反應堆概念技術評審報告》，對8種反應堆概念設計進行了技術評審，其中就包括 Flibe能源公司設計的40兆瓦的液態氟化釷反應堆。由此可見，熔鹽反應堆，尤其是使用釷的熔鹽反應堆已經成為第四代堆研製的熱點之一。
技術難點
（1）首先是在熔鹽和輻射的影響下，熔鹽堆的管道材料Hastelloy-N合金金屬特性下降問題，這涉及到核物理、化學、材料等諸多學科；
（2）此外，二迴路系統的臨界問題及石墨材料受到輻照後的穩定性也是擺在研究人員面前的障礙；
（3）而熔鹽燃料中鑭系和錒系元素的溶解性，熱交換器中的金屬團聚的問題、熔鹽堆的燃料線上處理工藝亦是目前研究的主要技術難題。
