[美]罗伯特 哈格里弗斯，拉尔夫 莫伊尔
2011-01-09
现今人们熟悉的压水堆使用固体燃料—装在燃料组件锆合金燃料棒内的铀氧化物芯块。这种组件布置在反应堆压力容器内160大气压和330℃的热水中。热水把裂变燃料产生的热能传给汽轮机，汽轮机驱动发电机旋转发电。阿尔文 温伯格(Alvin Weinberg)于1946年发明了压水堆(PWR)，现在这种装置用在美国100多台商用发电堆和海军舰艇上。 温伯格也从事液态燃料反应堆研究，它有许多超过固体燃料反应堆的优点。本文回顾了液态燃料反应堆的一些历史、潜在的优势、可能的缺点，以及目前的研究开发状况。本文的重点是液态钍氟化物反应堆(LFTR)。
血沉方程k值
在描述液态燃料反应堆的特性前，本节简略回顾压水堆的情况。在常规压水堆中，二氧化铀燃料芯块含高代价浓缩到3.5%或更高的易裂变铀-235，其余是铀-238。大约5年后，燃料必须卸出，因为易裂变材料耗尽而吸收中子的裂变产物增多。此时燃料释放的能量不到天然铀 潜能的1%。然而由于内部温差、破坏二氧化铀共价键的辐照损伤、以及阻碍固体晶结构的裂变产物，燃料棒承受的应力越来越大(见图1)。即使燃料棒肿胀变形，其锆包壳必须在堆内以及其后在废物储存/处置场内继续包容燃料和裂变产物几百年。
图1. 固体燃料棒承受裂变产物、辐照和热应力。
（Courtesy of Japan Atomic Energy Agency R&D Review 2008）
相比之下，液态燃料不受固体燃料那样的结构应力的影响：液态燃料反应堆可在大气压下
运行，不需要承受高压蒸汽爆炸的密封容器。气态裂变产物如氙鼓泡溢出，某些裂变产物沉淀析出，因此不吸收链式反应的中子。与压水堆相似，液态燃料反应堆可设计成增殖更多的燃料，而又比常规压水堆产生的废物有更强的防扩散能力。压水堆乏燃料含超铀元素如铀-238吸收中子增殖产生的钚-239，就是这种长寿命的超铀元素成了废物储存关注的核心问题。相比之下，液态燃料反应堆有可能把储存的担心减少到几百年，因为比压水堆生产的超铀元素核素少得多。
液态燃料反应堆历史
世界上第一个液态燃料反应堆用的是溶于水的铀磷酸盐燃料。尤金 维格纳于1945年构思了这种技术，阿尔文 温伯格在橡树岭建造了这种堆，由恩里科 费米启动。水携带燃料、慢化中子(慢化使铀的热能中子裂变截面增高)、传输热能，而且随着温度上升而膨胀，因此降低慢化并稳定裂变速率。因为普通水中的氢吸收中子，如压水堆这样的水堆，除非铀浓缩超过铀-235的天然同位素丰度0.7%，否则不可能达临界。氚吸收中子很少，所以重水堆可用非浓缩铀。温伯格的水堆曾以140kW功率给电网供电达1000小时。其固有反应性控制非常有效，只要关闭汽轮发电机就完成了停堆。
上述的水堆只不过是第一步，1943年维格纳和温伯格构思了液态燃料钍-铀增殖堆。这种反应堆的基本前提是环绕易裂变堆芯的钍-232增殖层吸收中子，因而某些核素转化（嬗变）为钍电极电势-233。钍-233依次β衰变为镤-233和铀-233，后者本身易裂变，可用来给反应堆补充燃料。后来，温伯格作为橡树岭国家实验室主任，领导液态钍氟化物反应堆(LFTR)的发展，这是本文的主题。温伯格当时意识到未来二氧化碳排放的影响，他写道：“人类的整个未来取决于此”。熔盐堆实验装置(Molten Salt Reactor Experiment - MSRE)最初用铀-235、后来用铀-233做燃料，成功地运行了4年多，直到1969年。为便于工程试验，没有安装钍增殖层，堆芯所用铀-233来自其它增殖钍-232的反应堆。MSRE已证实原理成功。连续排出裂变产物氙气以防不必要的中子吸收，在线换料得到证实；反应堆容器微腐蚀得到处理；而且编写了分离液态氟盐内钍、铀和裂变产物的化学实验方案。不幸的是，橡树岭的研究工作被迫停止，尼克松政府决定只对固体燃料液态钠金属冷却快增殖堆(LMFBR)提供资助，相对于LFTR能增殖铀-233，后者能更快增殖钚-239。
液态钍氟化物反应堆
使用钍增殖铀-233的显著优势在于钍-232生产的钚-239相当少，因为相比铀-238，钍-232
要多吸收6个中子。增殖铀-233还加强了防扩散能力，因为中子同时还产生抽水蓄能0.13%的U-232污染，最终衰变为铊，这个过程发射2.6Mev的贯穿性γ辐射，很容易被监视发现，而且危及制造核武器者的生命。例如，铀-233分离一年后制造的5kg次临界球，距离1米处接受的辐射剂量为4200毫瑞姆/小时，受照72小时很可能致死。通常反应堆屏蔽保护工作人员，但修改反应堆、分离铀-233，就要设法增加热室和操作设备遥控反应堆，并用于核武器加工、运输和交付。与使用铀浓缩（巴基斯坦）或钚增殖（印度，朝鲜）制造核武器的计划比较，修改LFTR,试图建造基于铀-233的核武器有更大的危险、技术挑战，而且成本很高。
现在许多国家正在积极从事钍基反应堆方面的研究，包括德国、印度、中国和加拿大；印度计划2050年前后靠钍生产30%的电力。但所有这些调研都潜心于固体燃料形式。我们的兴趣是液态燃料形式的钍基铀-233增殖堆。
LFTR的原理配置见图2。“双流”LFTR内，诸如LiF和BeF等盐的熔融共晶混合物含熔解的四氟化铀构成中央易裂变堆芯。（“共晶混合物”指其凝固温度比其它任何相同化学制品化合物更低。）单独的环形区含熔融的锂和铍氟化物盐与熔解的四氟化钍，构成可增殖的再生
层。熔在液态堆芯的铀-233（或者另外的某种“启动”易裂变燃料）裂变，使堆芯液态燃料加热。加热的液态燃料靠泵通过热交换器内侧小通道，达到非临界几何形状。多余的中子被熔盐再生层钍-232吸收，增殖的铀-233用氟气连续排出，用作堆芯补给燃料。裂变产物在废物分离器内以化学方法排除，熔盐燃料内只剩下铀和超铀元素。来自热交换器的单独的熔盐回路加热闭环氦气涡轮机的气体，推动发电机发电。所有三个熔盐环路都在大气压下运行。
图2. 在双流液态钍氟化物反应堆内，堆芯的铀-233裂变加热熔融的载体盐（黄）。它靠泵通过热交换器内侧小通道达到非临界几何形状。一个单独的没有放射性物质的熔盐回路（红）加热闭环氦气轮机的气体使发电机旋转发电。多余的中子被熔盐再生层内钍-232吸收（绿），增殖的铀-233用氟气排出。裂变产物在废物分离器内以化学方法排除，铀和超铀元素留在熔盐燃料内。所有三个熔盐回路都在大气压下运行。
LFTR可使废物储存问题从几百万年减到几百年。核废物的放射毒性有两个来源：裂变产生的强放射性裂变产物和吸收中子生成的长寿命锕系元素。钍和铀燃料反应堆产生的裂变产物基本相同，放射毒性可在500年内降到天然铀原始矿石的水平以下。LFTR运行产生的超铀锕系元素远少于压水堆。300年后LFTR废物的辐射只有压水堆的1/10000 (图3)。实践中，某些超铀元素会通过废物化学分离器漏失，但LFTR废物的放射毒性不到压水堆的1%。比尤卡山更小的地质处置场足够隔绝废物。
现存的压水堆乏燃料可以成为财富。一个100MWe的LFTR需要100kg易裂变材料（铀-233，铀-235,或钚-239）启动链式反应。现在全世界有340000吨压水堆乏燃料，其中1%是易裂变材料，足够93年内每天启动一台100MWe的LFTR。
图3. LFTR生产的长寿命废物比压水堆少得多
(Adapted from Sylvan David et al, Revisiting the thorium-uranium nuclear fuel cycle, Europhysics news, 38(2), p 25.)
商用LFTR能使铀刚够维持发电，所以转移铀用作核武器会使反应堆停闭，警报监管当局。LFTR股份制商业银行的多余易裂变材料很少；连续生产的铀-233替代裂变的铀-233，连续加入钍-232取代转化成铀-233的钍-232。不可能偷窃密闭反应堆内有致命放射性的裂变产物、熔解在熔盐内的铀。这种反应堆要接受IAEA常规的实体防御保障监督、所有核材料衡算与控制、探测干预监督，以及侵入检查。
元方是谁
液态燃料反应堆也可以设计成不涉及铀-233分离。例如，没有铀-233分离的LFTR单液流改性熔盐堆(DMSR)就只加注钍和少于20%的浓缩铀。在锕系元素和裂变产物积累、需要更换燃料盐前，它可以运行30年，而消耗的铀只相当压水堆的25%。
用钚启动LFTR可消耗武器级材料库存。钍燃料也可减少铀-235浓缩厂的需求，后者可用来生产核武器材料，就像生产动力堆燃料一样容易。铀-233位于反应堆的核心，对LFTR开发与试验非常重要。其半衰期只有160000年，自然界不存在。美国在橡树岭有1000kg几乎不可替代的铀-233。现在提出以4.77亿美元的代价予以销毁，用铀-238稀释并永远埋葬。这些钱用来投资开发LFTR要好得多。
LFTR能比煤电便宜吗？
燃煤发电是大气层二氧化碳的最大来源，是它在促使全球变暖。我们寻求各种替代方案如埋藏二氧化碳或者用风电、太阳能和核电取代煤电。有比煤炭更便宜的能源会劝阻各国继续烧煤，同时提供充足的电力。
LFTR生产能源能比现在烧煤更便宜吗？我们比煤电更便宜的能源目标成本是$0.03/kWh，
发电容量基建成本$2/W下。煤炭价格为$40/吨，对电能成本的贡献为$0.02/kWh。钍既丰富又价廉；一吨价值$300,000，能供1000MWe的LFTR用一年。钍的燃料成本只有$0.00004/kWh。
MIT2009年修订版《核电的未来》证明新型燃煤电厂的基建成本是$2.30/W，相对应的轻水堆为$4/W。1962-2002年大型熔盐堆五个成本研究报告的中位值是$1.98/W（2009年美元）。有许多原因可使缩小比例的100MWe反应堆成本同样地低，其中六点简述如下：
压力sony rolly。LFTR在大气压下运行，无需大型安全壳。大气压下没有爆炸的危险。
安全性。LFTR不靠多重纵深防御系统确保安全，而是凭借固有的安全性保持低成本。熔盐堆不可能熔化，因堆芯正常运行状态就是熔融的。氟盐室温呈固态，如果反应堆容器、泵或管道断裂，盐会溢出并凝固。如果温度上升，盐因膨胀，稳定性是固有特性。应急情况，下泄管道上能动冷却的固相盐塞熔化，燃料流入临界安全的接收罐。橡树岭MSRE的研究人员周末就用这种办法关闭反应堆。
高温。熔盐的高热容量超过压水堆的水或快堆的液钠，使高镍合金的堆芯几何形体和热传输环路小型化。
热能转换效率。LFTR使用闭环涡轮机，其高温使效率可达45%。相对而言，目前常规电厂朗肯蒸汽循环典型的热/电转换效率只有33%。LFTR的冷却要求几乎减半，降低了成本；并使在缺水地区发展空冷LFTR更加现实。
大规模生产。随着生产的机组数量增加，由于劳动效率、材料、制造工艺和质量的提高，技术商业化可降低成本。借助所谓的学习百分比率，生产的机组数量加倍，通常约降低成本20%。在《核电的经济前景》中，芝加哥大学经济学家估算，核动力堆的学习百分比率为10%。100MWe规模的反应堆可以象波音公司每天生产一架飞机的方式进行日常工厂制造。按学习比率10%计算，三年内成本下降至65%。
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