中科院就「奠基請道士做法」致歉,TMSR項目到底是何方「神聖」?

在甘肅省一重大項目“釷基熔鹽堆核能系統(TMSR)項目”的奠基現場,出現了貢品祭天、道士做法的荒唐一幕。4月28日,7名當時在場的公職人員被立案審查,4月30日,2名中科院現場工作人員被停職檢查。那不禁要問這釷基熔鹽堆核能項目到底是何方“神聖”?

中科院就“奠基請道士做法”致歉,TMSR項目到底是何方“神聖”?

重大項目奠基請道士做法,多名公職人員被調查

26日,一篇名為“甘肅核項目奠基,道士做法保平安”的帖子在微信等網絡空間熱傳,引來廣泛關注。記者瞭解到,事發地點為甘肅省武威市“釷基熔鹽堆核能系統(TMSR)項目”的奠基現場,此項目選址為民勤縣紅砂崗。從帖子的圖片中可以看到,現場設有供桌,上面放著祭品,一個一身道士打扮的人手持“法器”,做出各種動作。最後,現場還燒了一堆“符紙”。記者採訪瞭解到,開工現場請道士做法是施工企業所為,請的“道士”也是當地農民。

事發後,民勤縣委、縣政府立即成立專門工作組開展調查。經過初步調查,28日對涉事施工企業負責人進行約談,責成其向民勤縣委縣政府做出深刻檢查。武威市及民勤縣紀委監委現已對民勤紅砂崗工業集聚區管委會副主任趙先堂等7名在場公職人員進行立案審查。民勤縣委縣政府表示,將舉一反三抓好問題整改,把查處情況及時向社會公開,堅決杜絕此類問題再次發生。

中科院就“奠基請道士做法”致歉,TMSR項目到底是何方“神聖”?

中科院上海應物所領導班子4月27日根據初步調查結果撰寫了表明態度的聲明,與當事各方反覆溝通、確認後於28日在所網站發佈;並於4月30日根據進一步調查結果決定對兩位工作人員停職檢查,同時啟動所紀委核查程序,相關情況再次通過所網站發佈聲明。中科院在說明中表示,下屬單位承擔著推動科技進步、傳播科學精神的重要責任,但在實施相關科技項目的過程中未能有效約束合作方行為,出現與科學精神背離的情況,謹在此向各界同仁致以誠摯歉意!將吸取教訓、舉一反三,切實加強對全院科技、管理人員的思想政治教育,堅決杜絕類似事件再次發生。

“釷基熔鹽堆核能系統(TMSR)項目”是何方“神聖”?

據中科院院刊介紹,釷基熔鹽堆核能系統(Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System, TMSR)是第四代先進核能系統 6 個候選之一,包括釷基核燃料、熔鹽堆、核能綜合利用 3 個子系統。釷基核燃料儲量豐富、防擴散性能好、產生核廢料更少,是解決長期能源供應的一種技術方案。熔鹽堆使用高溫熔鹽作為冷卻劑,具有高溫、低壓、高化學穩定性、高熱容等熱物特性,無需使用沉重而昂貴的壓力容器,適合建成緊湊、輕量化和低成本的小型模塊化反應堆;熔鹽堆採用無水冷卻技術,只需少量的水即可運行,可在乾旱地區實現高效發電。熔鹽堆輸出的700 oC以上高溫核熱可用於發電,也可用於工業熱應用、高溫制氫以及氫吸收二氧化碳制甲醇等,可以有力緩解碳排放和環境汙染問題。

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基於TMSR的核能綜合利用前景

1、背景和意義

熔鹽堆研發始於 20 世紀 40 年代末的美國,橡樹嶺國家實驗室於 1965 年建成液態燃料熔鹽實驗堆(MSRE),這是迄今世界上唯一建成並運行的液態燃料反應堆,也是唯一成功實現釷基核燃料(鈾-233) 運行的反應堆。但由於“冷戰”的考慮,側重民用的熔鹽堆計劃下馬,美國熔鹽堆研發中止.20 世紀 70 代初,我國也曾選擇釷基熔鹽堆作為發展民用核能的起步點,上海“728 工程”於 1971 年建成了零功率冷態熔鹽堆並達到臨界。但限於當時的科技、工業和經濟水平,“728 工程”轉為建設輕水反應堆。自此,世界範圍內熔鹽堆研發的國家行為幾乎停止。

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21 世紀初,能源危機、環境挑戰、核武技術擴散等問題,使釷基核能與熔鹽堆的研發在世界範圍內獲得新生。熔鹽堆被“第四代核反應堆國際論壇”選為 6 個候選堆型之一,相關研究在國際上呈現急劇上升趨勢。近期,美國能源部制定了新的核能發展戰略,重新定義四代堆為“非水堆”(不用水冷卻的反應堆),計劃 2030 年至少有一種四代堆達到技術成熟並開始應用;同時改革傳統反應堆研發方式,鼓勵企業參與先進堆的研發,已有近 10 家美國企業選擇小型模塊熔鹽堆作為研發對象。

2011 年,中科院圍繞國家能源安全與可持續發展需求,部署啟動了首批中科院戰略性先導科技專項(A類)“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(TMSR)”,計劃用 20 年左右的時間,在國際上首先實現釷基熔鹽堆的應用,同時建立釷基熔鹽堆產業鏈和相應的科技隊伍。專項依託中科院上海應用物理所,上海有機所、上海高研院、長春應化所、金屬所等 10 家院內外科研單位參與。

2、專項總體進展

TMSR 先導專項自啟動實施以來,跨單位組建和發展了一支專業齊全、年富力強、規模約 750 人的我國釷基熔鹽堆科研隊伍,建成了覆蓋 TMSR 各領域方向的基礎研究實驗室和研發試驗平臺構成的 TMSR 低放非核(冷)實驗基地,形成了完整的學科佈局,取得科技研發的突破性進展,整體達到國際先進水平,為 TMSR 研發奠定了堅實的科學技術基礎。國際核網站評價“中國正引領國際熔鹽堆研發”。

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開展了緊扣專項目標、以美國為主要對象的國際合作.2011 年中科院與美國能源部簽訂了《核能科技合作諒解備忘錄》(CAS-DOE NE MoU),在此框架下,TMSR 中心分別與美國橡樹嶺國家實驗室、麻省理工學院簽署合作研究熔鹽堆相關技術的合作協議,聯合我國相關單位與美方共同制定熔鹽堆材料加工標準和技術准入標準;這些合作列入了第六-八輪中美戰略與經濟對話框架下戰略對話具體成果清單.TMSR 中心成為國際四代堆論壇熔鹽堆技術委員會觀察員。

TMSR 先導專項著眼關鍵材料與設備製造、設計及工程建設全部自主化,實現原型系統與關鍵技術的系統突破,為建設實驗堆奠定了堅實的科學技術基礎。與中國核動力院、上海核工院等聯合開展實驗堆工程設計。在國家核安全局的指導下,與上海核工院合作開展了實驗堆園區選址的前期技術工作,與國家核電技術有限公司簽訂合作協議共同推進 TMSR 實驗堆基地選址工作。同時,在先導專項和上海市支持下,先期在上海嘉定區建設首座釷基熔鹽仿真堆(不帶燃料)。

3、主要技術創新

3.1 創新發展戰略,優化技術路線

結合能源長期供應與溫室氣體減排的國家需求和國際熔鹽堆研發的科技前沿,考慮到液態燃料熔鹽堆和固態燃料熔鹽堆(美國稱氟鹽冷卻高溫堆)共有的技術基礎和不同的用途——液態燃料熔鹽堆適合實現釷基核燃料高效利用,固態熔鹽堆則是為核能制氫、二氧化碳減排量身打造並可部分使用釷基核燃料——確定了兼顧釷基核能、無水冷卻、高溫制氫等重大應用,同時開展液態燃料熔鹽堆和固態燃料熔鹽堆研發的 TMSR 發展戰略,制定各自的發展路線圖並動態調整。近期,進一步明確將小型模塊釷基熔鹽堆作為示範堆的堆型,繼續採用固液並舉的路線,示範堆預期研發週期為 10 年.TMSR 發展戰略的制定和實施在國際上是一個創新,據此戰略制定的 TMSR 研發計劃和內容具有出眾的系統性、完整性和關聯性,TMSR 先導專項實施 5 年已步入國際熔鹽堆研發的領先行列。

3.2 建立四個原型系統

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(1) 釷鈾燃料循環系統。提出創新的釷鈾循環方案,核燃料利用率隨著循環次數增加而不斷增長,最終可實現完全閉式的釷鈾燃料循環。採用先進的幹法處理技術,篩選和確立了全新的後處理流程,實現了包括氟化揮發和減壓蒸餾技術的在線處理工藝段冷態貫通。

(2) 熔鹽實驗堆設計系統。開發建立了滿足熔鹽實驗堆中子物理、熱工水力和結構力學等設計分析需要的軟件體系。完成 2 MW 液態燃料熔鹽實驗堆深化概念設計、10 MW 固態燃料熔鹽實驗堆初步工程設計,解決了高溫熔鹽環境下主容器、堆內構件及其密封、支撐和隔熱設計等多項關鍵技術,完成實驗堆關鍵設備與儀表樣機研製並開展了相關測試和實驗驗證。

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(3) 系列高溫熔鹽迴路系統。掌握了熔鹽迴路熱工水力、結構力學設計方法和高溫密封、測量與控制等關鍵技術,研製成功國內首臺套氟鹽體系泵、閥、計、換熱器等樣機。先後建成硝酸鹽熱工試驗迴路和工程規模的氟鹽(FLiNaK)高溫試驗迴路,進行了關鍵設備樣機的性能測試和運行考驗,獲得了熔鹽迴路運行經驗和重要熱工水力數據。

(4) 釷基熔鹽堆安全與許可系統。完成了熔鹽堆非基岩上構築物抗震設計標準和熔鹽實驗堆Ⅱ類堆安全分類論證,獲得國家核安全局認可。作為聯合主席成員單位參與國際固態燃料熔鹽堆安全標準(ANSI/ANS-20.1) 的編制;編寫了固態燃料熔鹽實驗堆安全設計準則。建成工程規模的非能動熔鹽自然循環實驗裝置,首次驗證了熔鹽自然循環餘熱排出系統的固有安全性。

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非能動熔鹽自然循環實驗裝置

3.3 取得一批核心技術突破

(1) 高純度氟鹽製備與檢測技術。掌握氟化物熔鹽冷卻劑和燃料鹽的製備淨化技術,自主研製了高純氟化熔鹽製備淨化裝置,製備成功核純 FLiBe 熔鹽、高純FLiNaK 熔鹽等,具備了年產噸級氟鹽的生產能力。解決了高溫熔鹽關鍵參數測試難題,建成系統完善的熔鹽物性與結構研究平臺。

(2) 氟鹽腐蝕控制技術。建成氟化物熔鹽腐蝕評價平臺,系統開展了氟化物熔鹽腐蝕機制、堆用合金材料腐蝕評價與防護技術研究。通過熔鹽純化、合金成分優化及表面處理等技術,解決了氟鹽冷卻劑腐蝕控制難題。

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合金在熔鹽中腐蝕評價未純化熔鹽中腐蝕評價

(3) 國產高溫鎳基合金製備與加工技術。掌握了高溫鎳基合金批量生產製造、加工與焊接工藝,實現耐腐蝕鎳基合金國產化(國內編號 GH3535) ,常規性能評估顯示與進口合金相當。突破高硬度合金加工與熱處理工藝中的技術瓶頸,實現寬厚板材、大口徑管材、大型環軋件的工業試製。

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(4) 國產高緻密細顆粒核石墨製備技術。研發成功首款熔鹽堆專用的細顆粒核石墨 NG-CT-50,掌握了工業化生產技術,常規性能評估顯示其滿足熔鹽堆需求,防熔鹽浸滲性能優於進口核石墨。建立了國產核石墨常規性能數據庫,直接推動了熔鹽堆專用核石墨國際規範的建立。

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(5) 同位素萃取離心分離技術。

發展了綠色環保的溶劑萃取離心分離鋰同位素技術,替代傳統汞齊法,革除汞汙染;完成實驗室規模串級實驗,獲得滿足熔鹽堆需求的 99.99% 以上丰度的鋰 7.開發了溶劑萃取製備核純釷工藝,突破溶劑萃取分離痕量雜質的極限,實現99.999% 純度和連續批量製備。

(6) 基於氟鹽體系的幹法分離技術。發展氟化揮發、減壓蒸餾和氟鹽電化學等幹法分離技術,建立了溫度梯度驅動的蒸餾技術,提高了熔鹽的回收率和回收品質,降低了粉塵排放;建立了階躍式脈衝電流電解技術,在 FLiBe-UF4 熔鹽體系電解得到金屬鈾的分離率超過 90%。

(7) 熔鹽堆放射性氣體監控技術。掌握了熔鹽中高效脫氣的鼓泡脫氚技術,用於多氣環境下氚分離的低溫分離技術,高效採集大氣中多種形態氚的收集技術,實現多氣並存氣氛中 HTO、HT 和 Kr、Xe 同時在線監測技術。

4、對產業的意義

熔鹽堆的優異性能主要來自其複合熔鹽冷卻劑的高沸點等物理化學特點,熔鹽還可以用在太陽能集熱、大規模熱能存儲和大功率電池等,熔鹽的廣泛使用將給能源帶來革命性變化。

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5、專家點評

50 年前,人們開始研究熔鹽在核反應堆中應用,然後遇到重大技術挑戰。基於當時的技術條件,水冷堆被證明更容易示範並放大。20 世紀70 年代初,中美兩國均停止了MSR 研究。一旦解決關鍵技術問題,熔鹽具有非常理想的反應堆熱量傳輸特性。與水和氦氣相比,熔鹽具有高溫低壓的特性,可避免使用沉重而昂貴的壓力容器。與金屬鈉相比,熔鹽具有高化學穩定性和熱容,可建成緊湊、輕量化和低成本的反應堆。熔鹽具有很高的平均輸出溫度,即使在乾旱地區也能夠高效發電。

銫元素在熔鹽中的化學形態使其不會在事故中變成氣體。而在水冷堆事故中,銫會形成活躍的化學形態,極易擴散。銫- 137 的釋放是福島和切爾諾貝利長期區域汙染的主要原因.MSR 不會發生造成長期區域汙染的事故。當使用液態熔鹽燃料時,MSR 可利用釷鈾中的大部分能量(水冷堆僅利用1% 能量)併產生極少廢物。這是比爾蓋茨的泰拉能源公司現在研究新型MSR 的主要原因。

過去 50 年的技術進步促使研究者重新審視 MSR 技術。現今反應堆採用非能動安全(一種在反應堆停堆後能夠不依賴於電力排出熱量、防止燃料熔燬的技術),例如 AP1000.類似的,材料、反應堆物理和先進計算模擬等方面的技術也取得了長足的進步。

中科院就“奠基請道士做法”致歉,TMSR項目到底是何方“神聖”?

SINAP 成功建成了世界級的上海光源。我們專家組的結論是,SINAP 同樣很好地解決了 MSR 的關鍵技術問題,能在世界上首先實現MSR 科學示範和前期商業示範,一個重要的例子是成功示範了環保的鋰-7 富集技術。

MSR 技術的成功發展和商用帶來的收益是可轉化的。SINAP 通過成功的國際合作極大促進了MSR 技術發展,例如與美國橡樹嶺國家實驗室合作。中科院的 TMSR 項目在解決關鍵科學和技術問題上採取了正確的方法,將繼續成功引領世界 MSR 發展。

專家介紹

Per Peterson 美國著名核能科學家。加州伯克利大學教授,前核工程系主任,現任工程學院執行院長。美國核學會會士,國家研究委員會成員,奧巴馬政府未來核能藍帶委員會成員(唯一核能科學家),並在多個國際學術機構任職。致力於先進裂變核能研究,2002 年與他人共同提出氟鹽冷卻高溫堆的新概念。

中科院院刊《未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統》 原文:(TMSR) http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2016/z2/2016z207.htm#Figure1


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