钍基熔盐反应堆中熔盐冷却回路的分析研究

汪 琦 俞红啸 张慧芬

上海热油炉设计开发中心（上海 200042）

纯金属钍（Th）的颜色为银白色，在空气中氧化为暗红色。粉末状金属钍在空气中可燃，但块状钍性质稳定。金属钍具有良好的可塑性和延展性，且易于锻造。天然钍只有钍232，它具有α粒子放射性，半衰期为1.39×1010年。钍的主要来源为磷酸盐稀土矿——独居石，其中磷酸钍含量最高达12%，平均为6%～7%。据估计，全世界钍的储量为铀的3～4倍。我国内蒙古自治区白云鄂博市的钍矿储量为22.1万t；全国钍矿储量为28.6万t，仅次于世界第一的印度（储量为34.3万t），约为铀矿储量的6倍。由于天然钍带有放射性，故它既是潜在的核能资源，又属于放射源，因此需要充分注意以防止其污染环境。

钍增殖反应堆使用低能量的热中子，所以，它比铀-钚燃料循环（需要难于处理的快中子）增殖反应堆安全得多。钍燃料循环反应堆具有安全性高、燃料长期充裕以及无需昂贵的燃料浓缩设施等优点。钍作为熔盐反应堆燃料使用后，只留下极少量的废料，而且这些废料只需要贮存几百年。相比之下，其他核副产品则要贮存几十万年。钍还是少数几种可作热增殖堆燃料的物质之一，理论上在分裂维系无穷高温连锁反应的同时会产生足够多的新燃料。此外，几乎不可能将钍反应堆的副产品用于加工核武器。

1 钍基熔盐反应堆

钍可溶于氟化盐溶液，钍基熔盐反应堆的设计正是基于该原理。钍基熔盐反应堆以钍作为核燃料，以熔融盐（液态氟化物）为冷却剂，以石墨为中心慢化剂；钍每吸收一个中子，立刻产生2～3个中子，远多于铀235裂变。由于用熔融盐作冷却剂，因此可以将其温度加热到很高（约为800℃），这样一方面可以尽可能地充分燃烧核燃料，另一方面又可以极大地提高汽轮发电机的输出功率。由于熔融盐沸点很高（约为1400℃），所以不用考虑高压供给问题，其在正常大气压下即可工作。

利用外界高浓度铀235的中子去轰击钍，钍元素吸收一个中子之后就转变为钍233，此时钍就有了放射性；钍233再经过衰变就转变成自然界不存在的铀233，而铀233就是产生核裂变的燃料。另外，钍232还有一个显著特征：中子轰击一旦终止，钍232就不再转变成钍233，于是链式裂变终止。该特征对反应堆的好处就是一旦发生意外故障，只要终止对钍的轰击就可以保证熔盐反应堆的安全。

在钍基熔盐反应堆区域内没有高压蒸汽，只有低压的熔融盐，这意味着熔盐反应堆的堆芯不会发生蒸汽爆炸，并且不需要轻水堆中最昂贵的部件——堆芯的高压蒸汽容器壳，取而代之的是用金属板材建成的熔融盐储罐和低压熔融盐管道。所用材料哈斯特洛合金-N[x(Mo)=17%，x(Cr)=7%，x(Fe)=5%，x(Ni)=71%]是一种稀有的抗高温、耐腐蚀镍合金，但该材料的用量大幅度减少，并且薄金属的成型与焊接都不昂贵。因此，熔盐反应堆外壳体积就可以大幅度减小。总之，钍基熔盐反应堆可以做到很大规模，也可以做成小巧型。

1947年美国橡树岭国家实验室为研制核动力飞机，开始对熔盐反应堆进行研究，1954年建成了熔盐实验堆，该高温反应堆的峰值温度为860℃，热功率为2.5 MW，采用NaF-ZrF4-UF4（3种物质的物质的量分数为53%，41%，6%）熔盐作为燃料，堆芯采用BeO六棱柱构件作为慢化剂。燃料盐在穿过慢化剂构件的合金管中流动，入口温度为650℃，出口温度为820℃，燃料总体积为38.8 L，铀235的临界质量为14.9 kg。该熔盐反应堆共运行1000 h，其中从临界到停堆历时约220 h，功率达到兆瓦量级的时间为74 h。

1965年，美国橡树岭国家实验室建成了一座8 MW的熔盐反应实验堆，共运行13000 h。其熔盐反应堆主要由反应堆容器、一回路系统、二回路系统、熔盐贮存系统、熔盐排放系统，以及散热系统构成。熔盐反应堆的堆芯容器罐体高约2 350 mm，直径约为1500 mm。石墨慢化剂棒长1 600 mm，边长50.8 mm，将其4个面凿出“U”型孔道，与相邻石墨棒面上的“U”型孔道拼成熔盐燃料的通道，燃料通道组成的活性区直径为1 400 mm。从顶部看，石墨慢化剂棒与燃料通道外层为10 mm厚的反应堆罐，最外层是反应堆壳体，其材料为哈斯特洛合金-N。熔盐从燃料入口流进反应堆罐底部形成“堆罐底部燃料区”。燃料熔盐由防涡流叶片引导向上流入由石墨慢化剂棒组成的燃料通道，然后流入反应堆罐顶盖处形成的“堆罐顶部燃料区”，最后由反应堆出口通道流入燃料出口管道。熔盐流速为1.514 m3/min，堆体积不到2 m3，实验采用的熔盐燃料为7LiF-BeF2-ZrF4-UF4（物质的量分数分别为65%，29.2%，5%，0.8%），冷却盐为7LiF-BeF2（物质的量分数分别为66%，34%）。同时为了实现最大的增殖化，反应堆耦合了一个熔盐后处理系统。

熔盐反应堆实验装置的实验结果证明，燃料熔盐、增殖燃料熔盐与哈斯特洛合金-N以及石墨之间具有良好的兼容性。熔盐对哈斯特洛合金的腐蚀速率为5.08 μm/a，并且长期辐照基本不影响其力学特性。因此，哈斯特洛合金-N被公认为是熔盐反应堆最合适的结构材料，可用于制造堆芯包壳、管道、结构组件等。另外，燃料熔盐对石墨的渗透率很低，实验得到的堆积渗透率为0.2%，比堆芯可以接受的水平还要低很多。

2 熔盐循环冷却回路的研究

熔盐反应堆内既有燃料熔盐，又有作为慢化剂和冷却剂的流动高温熔盐，这使得熔盐反应堆技术成为完全不同于传统反应堆的一种全新的核反应堆技术。熔盐反应堆采用熔融于BeF2，NaF，LiF等氟盐中的ThF4或UF4形成的液态融合物作为燃料，含有裂变核素和增殖核素的熔盐由熔盐泵带动流过由石墨慢化剂组成的燃料孔道，堆芯入口温度为500℃。燃料在堆芯达到临界，裂变产生的热量由熔盐本身带出堆芯，出口温度高达700℃，但远低于熔盐的沸点（1400℃）。从堆芯出口管道流出的高温燃料熔盐通过热交换器一次侧将热量传递给二回路的冷却熔盐，再通过热交换器二次侧传递给三回路的蒸汽用于推动蒸汽涡轮机发电。而通过热交换器一次侧的熔盐会流经化学处理厂进行后处理，来提取用于增殖的核素以及部分超铀核素，得到的净化盐再从堆芯入口管道进入堆芯。液态燃料熔盐堆因其可将熔盐直接融于冷却剂中，并可在线处理核乏燃料，是国际上公认的适合钍基核燃料的堆型。

钍基熔盐反应堆中的熔盐循环系统包括下列设备：钍基熔盐反应堆、燃料盐贮罐、冷却盐贮罐、熔盐堆排盐罐、熔盐热交换器、熔盐蒸汽发生器、燃料盐循环泵、冷却盐循环泵、蒸汽涡轮发电机、熔盐熔化保温装置、熔盐输送管路预热保温装置、熔盐冷冻易熔塞装置、熔盐在线净化后处理装置、熔盐安全防泄漏装置、配套辅机和阀门仪表、电脑自动控制监测装置等[1]。

钍基熔盐反应堆的堆芯底部下方设计了一个冷冻易熔塞，另外还设计了一个循环系统之外的非临界熔盐存贮装置。当钍基熔盐反应堆过热，温度超过预设值时，冷冻易熔塞会自动熔化，利用重力作用在很短的时间内排空钍基熔盐反应堆内的燃料盐，使携带核燃料的熔融盐全部流入一个专门的应急贮存罐内。裂变物质离开钍基熔盐反应堆，核反应就不会达到临界，链式核反应就会自动终止，所以钍基熔盐反应堆的安全性非常高。

当钍基熔盐反应堆冷却后，燃料盐会放射性地产生化学性质活泼的腐蚀性气体——氟。尽管过程缓慢，但是仍需在停堆关闭前移除燃料盐和废料，以避免非放射性氟气的产生。而且当与水汽接触时，氟盐会生成氢氟酸，所以，当熔盐反应堆停堆、废弃或被淹没时，会释放出氢氟酸雾，进而会有一些慢性腐蚀发生在哈斯特洛合金-N的表面。如果熔盐反应堆暴露在氢中，会形成HF腐蚀性气体，从而使腐蚀速率加快。因此，反应堆中的熔盐实际上是运行在干燥的惰性气体（通常是氦气）中的。氦气既能够带出循环系统运行过程中的裂变产物，也可以作为熔盐传输的动力源，还可被当作一种检测介质，用来检测设备与管道是否泄漏。

钍基熔盐反应堆填充熔盐时，通过对燃料盐贮罐充入氦气，并产生一定压力使燃料盐进入到钍基熔盐反应堆的一回路系统中。同时向冷却盐贮罐充入氦气，具有一定压力的氦气通过输送管线使冷却盐进入熔盐反应堆的二回路系统中。清排熔盐时，熔盐在自身重力作用下自动排入熔盐贮罐中。所以，熔盐的管路必须有合理的弯曲度，以避免残余熔盐滞留，且熔盐贮罐必须安置在最低处。在循环系统停止运行时，为了防止贮罐内的熔盐凝固，可以安装电加热器，将其温度保持在熔点以上[2]。

3 熔盐最高液膜温度的计算

熔盐循环冷却回路中的熔盐流量不能过大，否则熔盐泵的功率和造价会增大；熔盐流量也不能过小，否则熔盐的温度将会被迫升高，导致局部过热现象发生[3]。在熔盐循环冷却回路的设计开发中，应保证熔盐设备和管路内熔盐的流速合理、准确。如果熔盐流速过高，设备和管道内阻力降过大，熔盐泵的动力消耗将增多，且设备和管路的内壁面因冲刷受到磨损。熔盐流速过低时，熔盐会呈现出层流状态，这不仅影响传热效果，还会造成熔盐流体传热不均匀。

熔盐设备和管道内熔盐与管壁表面摩擦时会产生液体的边界层，边界层内存在温度梯度，边界层内紧贴管壁表面的熔融盐流体流速最低，但温度最高，其温度称为熔盐液膜温度。如果熔盐液膜温度过高，边界层内熔盐的热分解率就会过高；熔盐液膜温度越高，分解反应越剧烈，而分解产物不具有流动性，只能以沉积物的形态沉淀在管道内壁，甚至堵塞管道。熔盐反应堆长期过热运行后，管道受热面就会因熔盐热分解结焦，导致出现管壁过热现象。因此，应确定出熔盐最高液膜温度产生的位置，并准确计算出熔盐最高液膜温度。通常，边界层中熔盐最高液膜温度存在于受热面上热流密度最大处，或者熔盐流动中雷诺数（Re）最小处。为了将管道中熔盐边界层内最高温度控制在一个相对安全的范围内，并且使熔盐变质率处于可被接受的条件下，需要计算出熔盐最高允许液膜温度。

熔盐反应堆中熔盐管道内的最高液膜温度计算公式如下：

式中：T为管道内熔盐最高液膜温度，℃；Tb为管道内熔盐温度，℃；△T为管道中边界层内熔盐的温升，℃。

式中：qmax为熔盐反应堆中受热面的最大热流密度，kJ/(m2·s)；α 为熔盐管道内对流放热系数，W/(m2·℃)；do为熔盐管道的外径，m；di为熔岩管道的内径，m；φ为熔盐反应堆中受热面热损失的修正系数。

为了保证熔盐循环冷却回路的安全运行，计算出的熔盐最高液膜温度不得超过所选用燃料盐/冷却盐的最高允许液膜温度。

4 熔盐循环系统的设计开发与自动控制

首先，通过计算分析确定燃料盐存贮量、冷却盐存贮总量和冷却盐循环流量，计算出燃料盐贮罐和冷却盐贮罐的体积，同时设计出相应的结构型式；其次，设计开发出熔盐反应堆芯底部下方的冷冻易熔塞的结构型式以及应急熔盐贮罐，绘制出一次燃料盐循环系统和二次冷却盐循环系统的管路图，然后选择燃料盐泵、冷却盐泵及阀门仪表的规格型号；再次，计算出熔盐热交换器、熔盐蒸汽发生器的结构尺寸，并且从设计角度确保燃料盐和冷却盐的使用安全，另外配备相应的燃料盐和冷却盐安全防泄漏、防辐射装置，同时采用电伴热系统防止熔盐凝固甚至造成堵塞管路；最后，考虑熔盐反应堆的在线化学后处理装置，即核燃料盐的在线净化、吸附化学处理装置的设计开发。

自动控制系统可以根据熔盐循环冷却回路的工艺要求，自动调节钍基熔盐反应堆内燃料盐/冷却盐的出口温度、出口压力、进出口温差、进出口压差、出口熔盐流速、熔盐流量等运行参数，并且能够准确显示、测量、记录过程参数的变化，同时在熔盐循环系统运行过程中，在线监测运行状态和参数。当运行参数出现超限或运行状态异常时，计算机自动控制系统将发出声光报警，设备部件执行某种动作保护、甚至停止运行命令。

采用计算机智能化控制可以使钍基熔盐反应堆在启动和运行过程中始终处于监控中，并将熔盐循环系统中燃料盐/冷却盐的温度、压力、温差、压差、流速、流量通过人机界面动态地呈现出来，并使界面显示的燃料盐/冷却盐运动速率与流量计测定的熔盐流量相关联；同时对燃料盐/冷却盐进行流量检测和控制保护，并对燃料盐一次泵/冷却盐二次泵的运转情况进行监控和保护，如果发生不正常的状况，即报警保护直至停止运行[4]。

5 结语

钍基熔盐反应堆可以实现钍基核燃料的高效利用（高热电转换效率、最少的放射性废物排放），并且有助于防止核燃料的扩散。钍基熔盐反应堆的核废料少，因此，钍基燃料在熔盐反应堆内可以允许更高的燃料芯块温度和更深的燃耗，钍-铀燃料循环比铀-钚燃料循环所产生的放射性核素也更少。可见，钍基熔盐反应堆核能系统更易于防止核扩散，而且在运输过程中易于被监控。因此，钍基熔盐反应堆核能系统的转换效率高、适应性好。

钍基熔盐反应堆中熔盐循环冷却回路装置的设计开发，需在对钍基熔盐反应堆中熔盐循环冷却回路与熔盐最高液膜温度进行分析研究，并根据钍基熔盐反应堆的热负载大小、熔盐循环系统热力计算、熔盐管路系统流体输送阻力计算、熔盐输送管路伴热保温条件、安全防泄漏的要求、自动控制监测等具体情况进行综合分析计算的基础上进行。

未来钍基熔盐反应堆的两个主要研究发展方向是：（1）大型核能发电站的钍基熔盐反应堆；（2）小型核动力引擎的钍基熔盐反应堆。通过发挥熔盐高温-低压冷却回路的技术优势，使熔盐能更有效地将热量带出反应堆芯，从而降低对熔盐泵、熔盐管道、反应堆芯尺寸的要求，使得这些装置和部件的尺寸进一步缩小。在2～8 MW热功率或1～3 MW电功率的型式内，可以设计成供给潜艇或飞行器所需要的小尺寸结构，且其能够在60 s之内对热负载变化作出快速反应，从而实现以钍基熔盐反应堆作为核潜艇最佳动力或远程轰炸机引擎的目标。

参考文献：

[1]汪琦,俞红啸,张慧芬.熔盐反应堆核能发电中熔盐循环系统的研究[J].化工装备技术,2015,36(4):6-9.

[2]汪琦.熔盐加热炉和熔盐加热系统的开发 [J].化工装备技术,2000,21(2):40-43.

[3]汪琦,俞红啸.熔盐加热炉的结构设计和熔盐过热的研究[J].化工装备技术,2012,33(5):39-42.

[4]汪琦,俞红啸,张慧芬.热载体加热炉结构与供热循环系统智能化控制的应用研究 [J].化工装备技术,2016,37(2):27-33.