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    第四代核能系统国际论坛熔盐堆研发进展

    来源:核科技动态 发布时间:2021-01-14 10:01 阅读数:3792

    2020年7月29日,第四代核能系统国际论坛(GIF)发布了 2019 年年报。该年报共分7章,其中第4章重点介绍了6类四代反应堆的研发目标、主要研发活动及取得的成果。本文介绍 GIF 熔盐堆的研发进展。

    1 GIF熔盐堆的主要特征

    熔盐反应堆(MSR)的研发始于20世纪50年代初,但在20世纪60 年代只有一个试验反应堆在美国橡树岭国家实验(ORNL)运行。最近大约15年来,人们对MSR技术产生了新的兴趣,特别是其公认的固有安全性和灵活性。

    MSR是一个概念,而不是一种技术。实际上,MSR的通用名称涵盖了热堆和快堆。MSR采用氟化物熔盐或者氟化物为载体的熔盐,它可以按照U/Pu或Th/U-233燃料循环的模式运行,也可以作为超铀元素(TRU)的燃烧堆而运行。图1表示了研究最多的MSR概念及其主要参与者。

    MSR使用熔盐作为燃料和/或冷却剂。根据燃料循环的情况,MSR可以重复使用来自LWR的裂变材料和增殖材料,也可以燃烧高浓缩铀、钚或少量锕系元素。MSR 具有更高的能量转换效率(裂变直接发生在载体盐中,载体盐将其热量传递给热交换器中的冷却剂盐)。MSR 在略高于大气压的低压下运行,它们可以作为大型动力反应堆或小型模块化反应堆(SMR)进行部署。如今,它们的部署受到高温、结构材料、腐蚀等技术的限制。

    图1研究最多的RMSR概念及其主要研发机构

    图示反应堆概念主要研发机构:IMSR、Thorcon-陆地能源公司(Terretrial Energy);TMSR-LF1-

    中国科学院上海应用物理研究所;LFTR-氟锂铍能源公司(Flibe Energy);MCFR-泰拉能源公司

    (Terra Power);MCSFR-伊利西姆技术公司(Elysium);FMSR-俄罗斯无机材料研究所(VNIINM);

    SSR-W-莫泰科斯能源公司(MOLTEX);MOSART-库尔恰托夫研究院(KI);MSFR-欧洲原子能共同体

    (EUROTOM);IMSBR-印度巴巴原子研究中心(BARC)

    GIF 熔盐堆系统临时指导委员会(MSR PSSC)目前包括7个正式成员(澳大利亚、加拿大、欧洲原子能共同体、法国、俄国、瑞士和美国)和3个观察成员(中国、日本、韩国),目前正在协商一套制度安排。MSR PSSC 的使命是支持未来核能概念的开发,这些概念相对于目前的反应堆概念将具有更高的安全性和经济性。

        2 GIF熔盐堆的研发目标

    MSR项目的共同目标是根据物理、化学和材料等方面的研究成果,提出一种具有最佳系统配臵的MSR概念设计,其中包括反应堆堆芯、后处理和废物整备等方面。要掌握具有挑战性的 MSR 技术,国际社会需要采取协调一致的长期研发,其中重点研发领域包括:(1)研究盐的化学和热力学性质;(2)系统设计:开发先进的中子模型和热工水力模型;(3)研究材料与熔盐的相容性;(4)掌握反应堆容器腐蚀的盐氧化还原控制技术;(5)开发通过氦鼓泡从冷却剂中提取气态裂变产物的有效技术;(6)熔盐后处理:开展还原萃取试验(锕系元素-镧系元素的分离);(7)开发专门用于液体燃料反应堆的安全方案。

    3 GIF熔盐堆的主要研发活动和成果

    (1)MSR PSSC的活动

    2019年,MSR PSSC的主要工作是制定了相关系统安排(SA)(图 2),其中包括 3 个项目安排(PA),以促进各成员开展更加广泛的研发。由于项目安排带有普遍性,而且不依赖于具体MSR 概念,因此可以支持任何 MSR 概念的开发。这些项目安排主要开展熔盐行为、材料特性和系统集成等方面的研发。MSRPSSC的系统安排(SA)预计将于2021年生效。

    图2 MSR PSSC的系统安排

        (2)欧洲原子能共同体(Euratom)

        1 )欧洲SAMOFAR/SAMOSAFER项目

    在荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)的协调下,欧洲SAMOFAR/SAMOSAFER 项目成功运行了四年(2015~2019),并在2019 年宣告完成。

    2019年10月1日,新的SAMOSAFER项目启动,其任务是开发新的模拟模型和工具,并为熔盐反应堆开发新的安全屏障。这个新项目的目标是利用经过实验验证的新模型和新工具,为熔盐反应堆开发和示范新的安全屏障,使之在严重事故中能够更好地控制反应堆的行为。该项目的首要目标是确保 MSR 能够符合 30 年内所有预期的法规要求。该项目成功完成后,核工业界就可以使用新开发出的模拟模型和工具,同时新的 MSR 设计中也就可以采用创新的安全屏障。这将增加未来第四代熔盐反应堆的安全裕度,以确保它们符合最新和未来的安全标准。SAMOSAFER 由代尔夫特理工大学负责协调,将实施到 2023 年。

    在荷兰,佩滕高通量反应堆中的“凸角-01(SALIENT-01)”辐照已经完成。在SAMOSAFER项目框架下,研究人员正在荷兰核研究与咨询集团(NRG)和卡尔斯鲁厄欧盟委员会联合研究中心(JRC Karlsruhe)的实验室中对辐照样品进行研究。另外,后续辐照也正在准备中。

    2019年,欧洲原子能共同体还与欧洲物理期刊《核科学与技术》有关部门合作,组织召开了一次关于熔盐堆科技进展的特别会议。

        2)卡尔斯鲁厄欧盟委员会联合研究中心

    在卡尔斯鲁厄欧盟委员会联合研究中心,研究人员利用高纯氟化(HF)生产线成功开发了高纯氟化锕系元素盐的合成方法。此后,研究人员重点开发氯化技术,以合成具有同样纯度的氯化锕系元素盐。研究人员对一种创新合成方法进行了试验,这种方法利用Cl2 和CCl4 气体的混合物,将UO2 转化为UCl4 ,然后利用H2进行连续还原,将UCl4 转化为UCl3 。截止到 2019年底,第一步转化成功实现,获得了少量的高纯UCl4 。

    卡尔斯鲁厄欧盟委员会联合研究中心继续对氟化物盐体系的高温特性进行研究,主要亮点包括:①首次测量了纯 PuF3的熔点。这项研究仍然需要优化,但是研究人员已经建立了实验装臵,以测量在1250℃以上温度条件下熔化的锕系氟化物的熔点;②改进了一种固体盐热导率的测量方法,其中的固体盐模拟的是反应堆容器表面的沉淀物。改进后的测量方法采用激光闪光技术,实现了成功和可靠的测量。此外,研究人员还对系列碱金属氟化物以及含有UF4和ThF4组分的固体复合燃料混合物的热导率进行了测量;③对测定熔融盐中气体溶解度的方法进行了第一次试验。试验过程采用了高温注入设备,该设备采用了配备有定量质谱的渗出池,可以对溶解气体进行连续地定量测定。

    除了基本热化学性质的实验研究之外,欧盟委员会联合研究中心还与 NRG 开展了大量合作,积极参与了氟化物燃料盐的合成和制造,其中的氟化物燃料盐将用于佩滕高通量反应堆中的“凸角-03(SALIENT-03)”辐照实验。

        3)捷克核研究院(ŘEŽ )

    2019年,捷克共和国继续开展 MSR 技术的研究和开发,这项研发是捷克国家级 MSR 工程的一个部分,而该工程由捷克工业和贸易部以及技术局提供支持。研发活动的重点是为核研究院 LR-0实验反应堆中“FLIBE(锂-氟化铍混合物)热插入区”的中子测量任务做好准备。这是一个新的要求很高的实验项目,其目的是在 MSR 系统的工作温度范围(500~750℃)内测定FLIBE 熔体的反应性温度反馈系数。截止到 2019 年底,FLIBE热插入区的所有主要组件都已生产出来,活化实验项目将于2020 年开始。

    此外,MONICR合金焊接技术优化项目和 MONICR 合金长期腐蚀试验项目开发并测试了用于氟化物熔体介质的叶轮泵。在电化学分离领域,有关的研究工作也在继续,以开发出针对氟化物熔融介质的电化学分离方法。2019 年下半年,核研究院还启动了一项新任务,重点是对熔盐挥发法提取 MSR 挥发性燃料成分的问题开展实验研究和验证。

    (3)法国

    除了在SAMOFAR和SAMOSAFER开展的工作外,法国的研究机构(CNRS、CEAFRAMATOME 等)正在围绕一个共同的路线图(包括中子学及其建模、燃料盐的选择、材料和腐蚀)建立一个 MSR 联盟,以开发出一种采用 U/Pu 燃料循环的氟化物熔盐快堆概念。另外,CEA还启动了一个新项目,以协调该领域的活动。

    (4)澳大利亚

    为了缩短MSR核电系统的部署时间,澳大利亚正在开发、制造和测试MSR相关的结构材料和涂层。澳大利亚核科学与技术组织(ANSTO)继续与GIF合作伙伴开展合作,研究了备选不锈钢和镍基合金在 LiF-NaF-KF 盐混合物(FLiNaK)中的腐蚀问题。这些研究使用了ANSTO的大型设施,其中包括澳大利亚开放池式轻水堆(OPAL)、澳大利亚同步光源和加速器科学中心。

    2019 年,澳大利亚继续采取举措,扩大其在GIF框架下的跨领域材料研究活动。除了主持GIF先进制造和材料工程任务小组(AMMETF)的工作之外,澳大利亚还于 2019 年 9 月在阿维尼翁(Avignon)负责举办了一次关于超高温反应堆-熔盐堆(VHTR/MSR)材料与部件研发的联合研讨会。研讨会同时邀请了熔盐堆系统临时指导委员会(MSR PSSC)的成员和超高温反应堆项目管理委员会(VHTR PMB)的成员,目的是确定两种反应堆的共同研发领域。本次研讨会非常成功,会议确定了合作研发的潜在领域:①先进制造;②离子辐射损伤与中子辐射损伤设计方法的比较;③蠕变和蠕变疲劳模型的开发;④石墨、C/C、SiC/SiC 的高温性能和辐射损伤机理;⑤小样本测试和先进监测方法;⑥焊接和连接。

        (5)俄罗斯

    2019 年,俄罗斯射频实验室(RF)在熔盐堆开发方面做出了重大努力。俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)继续通过一系列研发项目,为单流体熔盐锕系元素循环与嬗变(MOSART)系 统 提 供 支 持 。 MOSART 系 统 的 液 态 氟 化 物 盐 可 以 对VVER-1000/1200 乏燃料中的次锕系元素和钚进行溶解。MOSART的最新进展涉及大功率(Li、Be、An/F)装臵和(Li、Na、K、An/F)装臵的设计,其目标是实现所有锕系元素的闭式燃料循环,其中包括 Np、Pu、Am 和 Cm 等。在采矿与化学联合体(热列兹诺哥尔斯克)的场址,开发 10 MWt 试验型 MOSART(Li、Be、An/F)系统的工作继续进行,其中该系统还计划配备燃料盐清理装臵。该 MOSART 的设计目标是针对熔盐堆的启动、平衡状态的过渡、燃料排空(drain-out)和停堆等状态,验证反应堆的控制以及熔盐燃料的管理。MOSART 目前的开发活动包括:①评估 Li、Be、An/F 和 Li、Na、K、An/F 熔盐混合物的中子注量和耐盐合金性能;②开发高保真和低保真的计算建模和工具;③测定 Li、Be、An/F 和 Li、Na、K、An/F 熔盐的理化性质;④设计和验证熔盐泵和热交换器;⑤开发有关仪器;⑥开发和验证高度自动化的远距操作和维修技术;⑦验证熔盐燃料的清理,并对固体废物流和气体废物流进行评估。

        (6)美国

    2019 年,美国在熔盐燃料反应堆和熔盐冷却反应堆方面都开展了广泛的研发活动。凯洛斯电力公司(Kairos Power Inc.)继续向美国核管会(NRC)提交有关专题报告,以做好许可申请有关的准备。此外,加拿大核安全委员会和 NRC 根据双方签订的关于先进反应堆和小型模块化反应堆(SMR)评估的合作备忘录,宣布已经选择陆地能源公司(Terrestrial Energy)的一体化熔盐反应堆来开展关于先进、非轻水反应堆的首次联合技术评估。

    美国政府继续通过一系列费用分摊的研发项目为美国新兴的 MSR 产业提供支持。NRC 继续推进有关许可要求的更新进程,以更好地反映先进反应堆的安全特性。美国能源部(DOE)继续以有限的规模支持大学和国家实验室的活动,以克服 MSR部署进程中依然存在的技术障碍。美国政府还继续致力于开发用于 MSR 安保分析的模型和相关工具。目前正在进行的 MSR 技术开发活动包括高中子注量和耐盐合金的设计和性能评估、高低保真度计算模型和工具的开发、石墨测试、燃料盐热物理和热化学性能的测量、燃料盐热力学数据库的开发、熔盐泵的设计和验证、仪器的开发、高度自动化远距操作和维护技术的开发和验证以及固体和气体废物流的评估。

        (7)加拿大

    2019 年,加拿大核实验室(CNL)继续开发 SMR 有关的技术和能力,并启动了一个成本分摊的新研发项目,称为加拿大核研究计划(CNRI)。CNRI 计划是由 CNL 建立的,旨在通过促进研究和开发,并通过将 SMR 工业与加拿大国家核实验室的设施和专业知识联系起来,加快 SMR 在加拿大的部署。该计划有诸多好处,其中的一个好处是参与者能够优化资源、共享技术知识,并可以利用 CNL 的专业知识,以推进 SMR 技术的商业化。

    作为个新计划的第一项行动,三家熔盐反应堆供应商提交了多份建议书,建议书内容包括电化学分离方法、氚管理、反应堆物理、热工水力和安保研究等。

    在加拿大联邦核科技计划的支持下,CNL 继续在熔盐堆领域开展广泛的研发,研发重点包括:①开发锕系元素熔盐燃料的合成方法;②熔盐实验中裂变产物的收容;通过水和熔盐回路之间自然循环热传输实验,对熔盐堆全厂停电条件下的非能动冷却性能进行评估;评估事故条件下的熔盐栓塞(plug)熔化;③开发腐蚀回路,以测定结构材料的腐蚀;④熔盐堆设计的建模和模拟,其中包括利用橡树岭国家实验室的 MSRE 系列程序(Physics、TH、CFD 等),对先进反应堆有关瞬变模拟工具包的代码进行评估;此外,还包括原子级别的模拟,以对熔盐的性质进行预测。

    加拿大还采取了多种重要措施,进一步开发经过核验证的测量技术,以对熔盐的热工水力性质进行测量。

        (8)瑞士

    瑞士 MSR 的研究是由保罗谢尔研究所(PSI)协调的。2019年,PSI 继续在三个选定领域发展技术和能力,这三个领域是:燃料循环、系统行为和熔盐热工水力。PSI 还开展了模拟有关的研发活动,主要目的是评估 MSR 的安全性和可持续性。由于PSI 是 SAMOFAR 和 SAMOSAFER 项目的成员,因此 PSI 的部分活动促进了欧盟 MSR 的研发进展。

    2019 年,PSI 在燃料循环评估领域发表了数项研究成果。研究人员还发表了对平衡燃料循环条件下 16 种不同反应堆的比较结果,其中包括 4 种 MSR 类型。此外,研究人员还对 U-Pu和 Th-U 循环的性能进行了比较。

    2019 年,研究人员利用开源 FOAM 求解器,继续对熔盐快堆(MSFR)堆芯的系统行为进行研究,这项研究是欧洲地平线2020 工程(H2020)SAMOFAR 项目的一个组成部分。H2020 项目结束之后,PSI 在 MSFR 方面的研究活动仍在进行,另外项目所开发的冻结模型也正在等待验证。此外,研究人员还利用开放FOAM 求解器,对瑞士一座增殖、燃烧堆堆芯的热工水力进行了概念设计,有关结果将在 2020 年国际反应堆物理会议(Physor2020)上公布。

    研究人员继续利用 GEMS TM 代码,对熔盐的热动力学进行模拟,其中的重点是氟基熔盐。研究人员还模拟了从初始燃料循环过渡到平衡燃料循环期间的液相线温度及其演变,并在2019 年国际核电站进展大会(ICAPP2019)上公布了研究结果。

        另外,研究人员还在 MELCORE 严重事故代码中增加了热动力学代码,以更好地模拟严重事故条件下燃料盐中的化合物蒸发。接近 2019 年年底时,研究人员开始为氯化物熔盐建立 GEMS 数据库。

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