[加] 大卫 莱布兰克
May 2010
一个被搁置40年的反应堆设计，听起来并不像很有潜力的技术。但熔盐堆（MSR）确实能兑现核电从前曾承诺的提供廉价、无限能源的诺言。 橡树岭国家实验室技术人员正在熔盐堆实验装置的石墨堆芯上工作
事后看来，核动力飞机的想法似乎有些疯狂。但1940－1950年代美国空军将领们却认为它是应对冷战困境的答案：携带的飞机不得不每隔几小时停下来加油，怎能有24小时全天侯的核威慑力量？由于担心苏联轰炸机偷袭会摧毁美国的反击能力，因而提出了首次核打击的概念。
空军将领们相信，核动力轰炸机将是终极威慑力量。这种飞机可以持续停留在空中，就能在北极上空盘旋等待攻击命令。轰炸机上乘务人员的生活大致像核潜艇上的人员，随时待命。
NB-36圣骑士核动力轰炸机试飞，在轰炸舱后载带着3000千瓦的水冷堆（环乘务舱的屏蔽重12吨）。机上的反应堆没有与发动机相连—飞机是用常规燃料作动力的—反应堆放在那里只是为了检验如何运行飞行中的反应堆。 1950年代，NB-36安排了许多次载带运行核反应堆的飞行，乘务人员在铅屏蔽驾驶舱内
显而易见，反应堆越小、越简单越好。就像美国海军核潜艇舰队选定压水堆，空军的研究计划发展了自己的反应堆设计—一种很优雅的技术。这种技术可以成为一个完全不同的核动力工业的基础。 然而，核飞机计划取消了。随着洲际弹道导弹的出现，核飞机的论据遭淘汰。除了两个实验反应堆在40年前被封存外，飞行反应堆研究期间所发明的优雅解决方案也从未被充分试验。
实在可惜，因为开发的这种理念—熔盐堆—有许多超过常规反应堆设计的明显优势。熔盐堆运行压力低，不需要现今反应堆常见的大型压力容器。它可以使用不同的燃料,甚至能焚烧其它反应堆产生的超铀元素废物。更有魅力的是，熔盐堆能设计成自己增殖燃料而无需场外处理。
随着核电兴趣的回暖—即所谓的核复兴—现在是提问的好时机：我们是否需要翻版建造更多的旧反应堆设计？熔盐堆看上去大概像个古怪的技术，在陌生的旅途中一直默默无闻，但如给个公正的听证，熔盐堆的机会就会“指日可待”。
熔盐堆（有时称液态氟化物反应堆）没有燃料芯块。取而代之的是，易裂变和可增殖材料熔在液体介质内。这种液体可以是铀、钍或钚的各种氟化物的一种，与某种载体盐如27LiF-BeF2（又称氟锂铍－flibe）结合，构成低熔点共晶熔体。这种混合物在熔点（约460℃）以上成为非常稳定的液体，可在简单的堆芯（通常包括石墨慢化剂）和外部热交换器间连续流动。热能经主回路放射性熔盐传给中间回路清洁熔盐，后者再传给蒸汽或气体循环。
这种设计有多重优势。首先，氟化物熔盐是极好的冷却剂，体积热容量比加压水高25%，
几乎是液态钠的5倍。更大的热容量使主回路设备如泵和热交换器等变得更紧凑（小型）。
熔盐堆在近大气压下运行，所以不需要轻水堆的厚壁压力容器。因为反应堆内流体没有水或钠，安全壳内蒸汽爆炸或产生氢气的概率为零。实际上，熔盐堆可设计成没有石墨慢化剂，因此可以没有可燃物质。
研究人员设计的核动力轰炸机用熔盐堆，反应堆的热能取代喷气发动机内的燃料燃烧
熔盐堆的设计有很强的负温度和空泡系数，立竿见影，增加了安全性并允许自动负荷跟踪
运行。此外，燃料的流体本性意味着熔化是一个不相干的术语。紧急情况下，燃料盐自动排入非能动冷却、临界安全的燃料储罐内。熔盐温度超出正常就会熔化一个冷冻盐塞，像拔出浴缸的塞子那样简单。
熔盐堆中的易裂变材料浓度很容易连续调整。这种调整可以消除过多的反应性，而且无需固体燃料反应堆内常见的可燃毒物。
此外，许多裂变产物很快形成稳定的氟化物，在任何泄漏或事故期间会停留在盐内。其它挥发性或不能熔解的裂变产物可非能动、连续地排出。在大多数固体燃料反应堆中氙几乎代表所有裂变产物中子吸收的一半，而在熔盐堆中氙气恰恰会从燃料盐内冒出并可储存在反应堆回路外部。
熔盐堆实验装置。虽然MSRE设计根本不同于以前建造的任何反应堆，橡树岭国家实验室的研究人员仍能无故障地运行这个8MWt的反应堆将近五年。
某些裂变产物必须保持隔离几百年，但无需尤卡山那种类型的维持数千年的处置场。轻水堆乏燃料的钚和其它超铀元素是实质问题。而熔盐堆产生这些物质的速率很低而且将其再循环，因此熔盐堆废物的长寿命放射毒性是轻水堆的1/10000。
熔盐堆设计有多种，基本可划分为两大类。增殖堆启动后生产自己的易裂变材料。增殖堆的一种典型方案是用可增殖的钍启动，钍俘获中子后衰变为易裂变的铀-233。这个循环可以形成为一个较软中子谱的增殖堆，其中子通常靠石墨慢化；常见的使铀转换为钚的增殖循环要求更硬或更快的中子谱。
熔盐堆并不必一定是增殖堆或限于钍循环。由于不需要燃料后处理，熔盐堆可以作为简单的转换堆运行，甚至以一次通过式循环方式都能获得极好的铀利用率。转换堆要求每年添加易裂变材料，即使使用低浓铀也可运行得极好。熔盐转换堆和熔盐增殖堆各有优势，两者的主要的差别是是否在运行期间主动地从盐中清除裂变产物。
MSRE的散热器在排出熔盐冷却剂的热能
橡树岭国家实验室主任阿尔文 温伯格标注MSRE满功率运行第6000小时
设计优化的另一方面是流过反应堆的流体。例如，某些熔盐增殖堆设计要求含易裂变铀-233和可增殖钍的单一液流。这种配置使堆芯设计最简单，但清除裂变产物变得很困难，因为钍与稀土裂变产物的化学性质几乎相同。
绕过裂变产物处理难题的一种办法是使可增殖的钍与易裂变的铀分开。这样，有两种基本液体：流经反应堆堆芯的燃料盐和含钍的再生盐。因为钍俘获中子生成铀-233，可以定期地从再生盐中清除铀转到燃料盐中。从再生盐清除铀相对很简单：只是用氟气使盐鼓泡就能把四氟化铀盐转化为气态六氟化铀。六氟化铀能再转化为盐并成为添加燃料。这种双液流设计还有其他的优点，缺点是反应堆堆芯布置复杂。
还有一种混合熔盐堆设计，绰号“一个半液流”，即含铀和钍的燃料盐被再生盐环绕，再生盐俘获堆芯泄漏的中子。所有三种运行模式各有优点，世界各地都在继续研究。
不幸的美国空军飞机反应堆计划开发了广博的学科基础并建成了一个成功的试验堆。在爱达荷国家实验室建造并试验了飞机反应堆实验装置（Aircraft Reactor Experiment -ARE）。
ARE是个高温反应堆，峰值温度860℃，采用NaF-ZrF4载体盐，高浓铀-235燃料。包覆氧化铍砌块提供慢化功能。
第一个试验堆成功后，阿尔文 温伯格领导下的橡树岭国家实验室研究人员着手研究熔盐动力堆。研究经历了三个时期。1950年代中期集中在简单的“一个半液流”燃料和再生盐嵌套箱型设计。当发现石墨与熔盐非常相容后，橡树岭研究人员即着手开发双液流设计，其特征是错综复杂的管路使两种盐既在堆芯内交错而又相互隔离。
1950年代中期橡树岭研究人员开发双液流设计，以管路错综复杂为特征。（译者补入）
1960年代初期，橡树岭还设计并建造了8MWt的熔盐堆实验装置（Molten Salt Reactor Experiment - MSRE）。为设计简单，MSRE采用无钍的单液流设计，只有一个简单的带有流道的石墨箱体。运行温度为650℃，这样镍合金的管道和热交换器能长期运行。在1965－1969年间它非常成功地运行了将近5年。MSRE证明它可以顺利地进行维护和检修，而且正如所预计的那样，反应堆控制非常稳定。
与此同时，橡树岭继续集中研究双液流设计动力堆，但研究证实石墨流道布置是个艰巨的挑战（运行中石墨先收缩后肿胀）。1968年他们放弃了双液流设计，转向更简单、但燃料后处理更难的单液流堆芯。多年来，这种设计成了新标准。
然而，1973年原子能委员会（美国能源部的前身）做出了有争议的决定，削减熔盐堆开发基金。官方的主要论据是MSRE运行期间发现腐蚀，尽管橡树岭已近乎完全解决这个问题了。
取消这个有希望的系统的其他理论还有许多。一个理论是政治：橡树岭是唯一研究熔盐堆
的实验室，而有着更多预算的多个国家实验室，在研究开发与熔盐堆相竞争的技术钠冷快增殖堆。另一个理论与个人相关—橡树岭实验室主任阿尔文 温伯格因公开提出压水堆的安全性问题而受到了原子能委员会的谴责。最后，很大程度是推测性的，熔盐堆被扼杀是因为它不能生产钚，在当时钚是军用所需的。
橡树岭国家实验室的有限的研究一直持续到1980年前后，当时更侧重于最大化防扩散能力。这些研究发现，相同基础的单液流设计，可作为简单的转换堆，使用低浓铀和钍，非常出地运转。不管过去如何成功，资金一旦被削减，在美国几乎不可能、在其它地方也很难得到甚至不多的研究资金，因为这个系统已被视为被美国投资方抛弃了。
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