液态氟化钍反应炉

液态氟化钍反应炉（Liquid fluoride thorium reactor, LFTR ；通常发音为"lifter"）是一种熔盐反应炉。 LFTR采用钍燃料循环，以氟化物基熔盐（液态）作为燃料。在典型的设计中，液体被泵送到临界堆芯和外部热交换器之间，热量在那里传递给非放射性的二次盐。然后，二次盐将其热量传递给蒸汽涡轮机或闭式循环燃气涡轮机。
熔盐反应炉(MSR) 将核燃料混合到熔盐中。它们不应与仅使用熔盐进行"冷却"（氟化物高温反应炉）且仍使用固体燃料的设计混淆。熔盐反应炉这一类反应炉包括快中子谱或热中子谱的燃烧器和增殖器，使用氟化物或氯化物盐基燃料以及一系列可裂变或可增殖的消耗品。液态氟化钍反应炉 (LFTR) 的定义是使用氟化物燃料盐，并在热中子谱中将钍增殖为铀-233 。
LFTR概念最早于1960年代在橡树岭国家实验室 熔盐反应炉实验中被研究，尽管该反应炉并未使用钍。最近，LFTR在全球范围内重新引起了人们的兴趣。日本、中国、英国以及美国、捷克、加拿大和澳洲的私人企业都表达了开发和商业化该技术的意图。
LFTR 几乎在所有方面都不同于其他动力反应炉：它们使用转化为铀的钍，而不是直接使用铀；它们透过泵送方式补充燃料，而无需停机。它们的液盐冷却剂允许主冷却回路在更高的工作温度和更低的压力下运作。这些独特的特性带来了许多潜在的优势，同时也带来了设计挑战。
背景.
到1946年，即核分裂发现八年后，已有三种可裂变同位素被公开确定可用作核燃料：
钍-232、铀-235和铀-238是原始核素，以目前的形式存在了超过45亿年，早于地球的形成；它们是在垂死恒星的核心通过r 过程形成的，并被超新星散射到整个星系。它们的放射性衰变产生了地球内部大约一半的热。
由于技术和历史原因，这三种核燃料分别用于不同类型的反应炉。铀-235是世界上主要的核燃料，通常用于轻水反应炉。铀-238/钸-239最常用于和。钍-232/铀-233最适合用于熔盐反应炉（MSR）。
阿尔文·M·温伯格（Alvin M. Weinberg）在橡树岭国家实验室（ORNL）率先使用熔盐反应炉（MSR） 。在 ORNL，两个原型熔盐反应炉成功设计、建造和运作。它们是1954年的（Aircraft Reactor Experiment,ARE）和1965 年至 1969 年的(Molten-Salt Reactor Experiment,MSRE)。这两个测试反应炉都使用液态氟化物燃料盐。 MSRE 在单独的试运行中展示了使用 U-233 和 U-235 的燃料。温伯格被解职，熔盐反应炉计划于20世纪70年代初结束，此后，美国的研究陷入停滞。
增殖基础知识.
中有两种类型的燃料。第一种是可材料，它在受到中子撞击时会分裂，释放出大量能量，同时释放两到三个新的中子。这些新的中子可以分裂更多的可裂变材料，引发持续的炼式反应。可裂变燃料的例子有铀-233、铀-235和钸-239。第二种燃料称为可增殖燃料。可增殖燃料的例子有钍-232（开采的钍）和铀-238（开采的铀）。为了变成可裂变的，这些核种必须先，分别变成钍-233和铀-239。在经过两次连续的β衰变后，它们分别蜕变为可裂变同位素铀-233和钸-239。这个过程称为增殖。
所有反应炉都以这种方式增殖一些燃料，但如今的固体燃料热反应炉无法从增殖燃料中增殖出足够的新燃料来弥补它们消耗的裂变物质的数量。这是因为现今的反应炉使用慢化中子谱中的铀钸循环。这种使用慢速中子的燃料循环，增殖的钸裂变只会回到两个新中子。由于维持裂变反应需要一个中子，因此每次裂变只能产生不到一个中子来增殖新燃料。此外，反应炉中的材料（例如金属、慢化剂和裂变产物）会吸收一些中子，导致产生的中子太少，无法增殖出足够的燃料来维持反应炉的运作。因此，它们必须定期添加新的裂变燃料，并更换一些旧燃料，为新燃料腾出空间。
如果反应炉产生的新燃料量至少与消耗量相同，则无需添加新的裂变燃料。只需添加新的增殖燃料，这些燃料会在反应炉内部增殖为裂变物质。此外，还需要移除裂变产物。这种类型的反应炉被称为增殖反应炉。如果它从增殖燃料中增殖出的新裂变物质量刚好足以维持无限期运行，则称为盈亏平衡增殖反应炉或等增殖反应炉。液态氟化钍反应炉 (LFTR) 通常被设计为增殖反应炉：加入钍，排出裂变产物。
采用铀钸燃料循环的反应炉需要快中子来维持增殖，因为只有快速移动的中子，裂变过程才能在每次裂变中产生2个以上的中子。使用钍时，可以使用热反应炉进行增殖。这已在得到验证，尽管该电站是一个相当标准的轻水反应炉，但其最终燃料负载从钍中增殖的裂变产物略多于其消耗的裂变产物。热反应炉启动所需的昂贵裂变燃料较少，但对残留在核心的裂变产物较为敏感。
配置增殖反应炉进行所需增殖反应有两种方法。一种是将可增殖燃料和可裂变燃料放在一起，这样增殖和裂变就在同一位置进行。另一种是将可裂变燃料和可增殖燃料分开放置。后者被称为「堆芯-包层」结构，因为可裂变堆芯产生热和中子，而单独的包层负责所有增殖反应。
反应炉 - 次系统设计变化.
橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，缩写为ORNL）研究了两种为其熔盐增殖反应炉制造增殖器的方法。由于燃料是液体，它们被称为“单流体”和“双流体”钍热增殖熔盐反应炉。
单流体反应堆.
单流体设计包括一个大型反应炉容器，容器内装有含钍和铀的氟化盐。浸入盐中的石墨棒起著慢化剂的作用，引导盐的流动。在ORNL的熔盐增殖反应炉（MSBR）设计中减少反应炉堆芯边缘附近的石墨量，会使外部区域处于慢化不足状态，从而增加钍对那里中子的俘获。在这种设计下，大多数中子在距离反应炉边界一定距离处产生，从而将中子泄漏降低到可接受的水平。尽管如此，单一流体设计需要相当大的尺寸才能进行增殖。
在增殖器配置中，需要进行大量的燃料处理，以去除燃料盐中的裂变产物。在转化堆配置中，燃料处理要求被简化，以降低工厂成本。代价是需要定期更换铀燃料。
熔盐增殖反应试验（MSRE,Molten-Salt Reactor Experiment）是一座仅在核心区域运作的原型反应炉。熔盐增殖反应试验提供了宝贵的长期运作经验。根据日本科学家估计，单流体LFTR计划只需在5到10年内投入约3到4亿美元的相对适度资金，即可实现，用于资助填补微小技术空白的研究，并建造一座与熔盐增殖反应试验相当的小型原型反应炉。
双流体反应堆.
双流体设计在机械上比「单流体」反应炉设计更为复杂。 「双流体」反应炉具有一个中子密度较高的堆芯，燃烧来自钍燃料循环的铀-233 。一层单独的钍盐包层吸收中子，并缓慢地将其中的钍转化为镤-233。镤-233可以留在包层中中子通量较低的区域，这样它就会缓慢衰变为铀-233裂变燃料 ，而不是捕获中子。这种增殖的可裂变铀-233可以透过注入额外的氟来回收，形成六氟化铀，这是一种可以从溶液中析出的气体，可以被捕获。一旦它再次还原为四氟化铀（固体），就可以混入核心盐介质中进行裂变。核心的盐也经过净化，首先透过氟化去除铀，然后透过真空蒸馏去除并重新使用载体盐。蒸馏后残留的残渣是LFTR的裂变产物废料。
分离核心和覆盖层流体的优点包括：
双流体设计的一个弱点是，由于快中子损伤，必须定期更换核心-包层屏障。 ORNL 选择石墨作为屏障材料，因为石墨吸收中子少，与熔盐相容，耐高温，并且具有足够的强度和完整性来分离燃料盐和包层盐。中子辐射对石墨的影响是使其缓慢收缩然后膨胀，导致孔隙率增加和物理性能恶化。石墨管的长度会改变，并且可能破裂和泄漏。
双流体设计的另一个弱点是其复杂的管路系统。ORNL认为，为了在可接受的低功率密度下实现高功率水平，需要将核心管和包层管进行复杂的交错设计。 ORNL最终没有采用双流体设计，也从未建造过任何双流体反应炉的样机。
然而，最近的研究对ORNL复杂的交错石墨管的必要性提出了质疑，建议采用一种简单的细长管壳式反应堆，该反应堆无需复杂的管道即可实现高功率输出，并可适应热膨胀，并允许更换管道。 此外，石墨可以用高钼合金代替，这种合金用于聚变实验，对中子损伤具有更高的耐受性。
混合“一个半流体”反应堆.
燃料盐中含有钍的双流体反应炉有时被称为“一流半”反应堆，或1.5流反应炉。这是一种混合反应炉，兼具单流反应炉和双流反应炉的一些优点和缺点。与单流反应炉一样，它的燃料盐中也含有钍，这使得燃料处理变得复杂。然而，与双流反应炉一样，它可以使用高效的独立包层来吸收从堆芯泄漏的中子。使用屏障将两种流体隔离的另一个缺点仍然存在，但由于燃料盐中含有钍，因此需要穿过此屏障进入包层流体的中子较少。这减少了对屏障的损害。屏障中的任何泄漏也不太严重，因为处理系统必须已经处理过核心中的钍。
在决定采用一流体半或两流体LFTR时，主要的设计问题是，更复杂的再处理或更严苛的结构障碍是否更容易解决。
发电.
运转温度高达摄氏700度的LFTR，其可达45%。这高于目前热电转换效率为32%至36%的轻水反应炉（LWR）。除了发电外，高温LFTR产生的集中热能还可用作高品质工业处理热，用于多种用途，例如利用哈伯法生产氨或通过水分解制氢，从而消除了先转换为电能的效率损失。
朗肯(Rankine)循环.
朗肯循环是最基本的热力学动力循环。最简单的循环由蒸汽发生器、涡轮机、冷凝器和泵浦组成。工作流体通常是水。与LFTR耦合的朗肯动力转换系统可以利用升高的蒸气温度来提高其热效率。亚临界朗肯蒸汽循环目前用于商业发电厂，最新的发电厂采用更高温、更高压的超临界朗肯蒸汽循环。 ORNL 在 20 世纪 60 年代和 70 年代对 MSBR 的研究假设使用效率为 44% 的标准超临界蒸汽涡轮机，并在开发熔融氟盐蒸汽发生器方面做了大量设计工作。
布雷顿(Brayton)循环.
布雷顿循环发电机比朗肯循环占地小得多，成本更低，热效率更高，但需要更高的工作温度。因此，它特别适合与 LFTR 一起使用。工作气体可以是氦气、氮气或二氧化碳。低压暖气在环境冷却器中冷却。低压冷气被压缩到系统的高压。高压工作气体在涡轮机中膨胀以产生动力。涡轮机和压缩机通常透过单轴机械连接。与低压朗肯循环相比，高压布雷顿循环预计发电机占地面积较小。布雷顿循环热机可以在较低压力下运行，管道直径更大。世界上第一个商用布雷顿循环太阳能电池模组（100 千瓦）于 2009 年在以色列阿拉瓦沙漠建成并展示。
裂变产物的去除.
液态氟化钍反应炉（LFTR）需要一种机制来从燃料中去除裂变产物。反应炉中残留的裂变产物会吸收中子，进而降低中子经济性。这在钍燃料循环中尤其重要，因为钍燃料循环中剩余中子很少，且热中子谱吸收很强。最低要求是从废燃料中回收有价值的裂变材料。
裂变产物的去除类似于固体燃料元件的后处理；透过化学或物理方法，将有价值的裂变燃料与废裂变产物分离。理想情况下，可增殖燃料（钍或铀-238）和其他燃料成分（例如载体盐或固体燃料中的燃料包层）也可以重新用于制造新燃料。然而，出于经济原因，它们也可能最终进入废料中。
现场处理计划将持续进行，每天清理一小部分盐并将其送回反应炉。燃料盐无需非常清洁；其目的是将裂变产物和其他杂质（例如氧气）的浓度保持在足够低的水平。某些稀土元素的浓度必须特别保持在较低水平，因为它们具有较大的吸收截面。其他一些截面较小的元素，例如铯或锆，可能会在多年的运行中积累，直到被去除。
由于液态氟化钍反应炉（LFTR）的燃料是熔盐混合物，因此采用高温处理（高温处理）方法颇具吸引力，这种高温方法直接作用于热熔盐。高温处理不使用对辐射敏感的溶剂，也不易受到衰变热的干扰。它可以直接用于处理来自反应炉的高放射性燃料。在靠近反应炉的现场进行化学分离，可以避免运输，并保持燃料循环的总库存量较低。理想情况下，除了新燃料（钍）和废物（裂变产物）之外的所有物质都留在工厂内。
液体燃料的一个潜在优势是，它不仅便于从燃料中分离裂变产物，而且还可将单个裂变产物彼此隔离，可用于稀缺且各种工业（通过射线照相检测焊缝的辐射源）、农业（通过辐照对农产品进行消毒）和医疗用途钼-99衰变为𨱏-99 ，这是最有效的放射性同位素）
按元素组细分的详细信息.
较贵重的金属（钯、钌、银、钼、铌、锑、铱）在普通盐中不会形成氟化物，而是形成细小的胶体金属颗粒。它们会沉积在金属表面，例如热交换器，或更倾向于沉积在更容易更换的高表面积过滤器上。然而，由于MSRE的运作经验相对较短，且独立的实验室实验较为困难，这些颗粒的最终去向仍存在一些不确定性。
氙和氪等气体很容易透过氦气吹扫而出。此外，有些「贵」金属会以气溶胶的形式被去除。快速去除氙-135尤其重要，因为它是一种非常强的中子毒物，如果不去除，反应炉的控制将更加困难；这也能提高中子经济性。这些气体（主要由氦、氙和氪组成）会保留约两天，直到几乎所有氙-135和其他短寿命同位素都衰变。之后，大部分气体可以回收。再保留几个月后，放射性就会降低到足够低的水平，可以在低温下将气体分离成氦（可重复使用）、氙（可出售）和氪。氪需要以压缩形式储存（例如，以压缩形式）较长时间（数十年），以等待氪-85的衰变。
为了净化熔盐混合物，提出了几种化学分离方法。与传统的PUREX后处理相比，高温处理制程更紧凑，产生的二次废弃物较少。 LFTR熔盐的高温处理流程已从合适的液态开始，因此可能比使用固体氧化物燃料便宜。然而，由于尚未建成完整的熔盐后处理厂，所有测试都仅限于实验室，且仅使用了少量元件。我们仍需要进行更多研发工作，以改善分离工艺，使后处理更具经济可行性。
铀和一些其他元素可以透过称为氟挥发的过程从盐中去除：氟的喷射可以以气体形式去除挥发性高价氟化物。这主要是包含铀 233 燃料的六氟化铀，但也包括六氟化镎、六氟化锝和六氟化硒，以及一些其他裂变产物（例如碘、钼和碲）的氟化物。挥发性氟化物可以透过吸附和蒸馏进一步分离。在浓缩过程中，处理六氟化铀已经很成熟。高价氟化物在高温下腐蚀性很强，需要比哈氏合金更耐用的材料。 ORNL 的 MSBR 计划中的一项建议是使用固化盐作为保护层。在 MSRE 反应炉中，氟挥发被用来从燃料盐中去除铀。此外，对于固体燃料元件的使用，氟的挥发性也得到了相当充分的开发与测试。
另一种在MSRE专案期间测试的简单方法是高温真空蒸馏。像四氟化铀这样的低沸点氟化物以及LiF和BeF载体盐可以透过蒸馏去除。在真空条件下，温度可以低于环境压力下的沸点。因此，大约1000°C的温度足以回收大部分FLiBe载体盐。然而，虽然原则上可行，但将氟化钍与沸点更高的镧系氟化物分离需要非常高的温度和新材料。对于使用铀作为可裂变燃料的双流体设计，化学分离可以采用以下两个相对简单的过程：可以透过氟挥发从包层盐中去除铀，并将其转移到核心盐中。要从核心盐中去除可裂变产物，首先透过氟挥发去除铀。然后可以透过高温蒸馏回收载体盐。包括镧系元素在内的高沸点氟化物则作为废物留下。
选择性的镤Pa-233分离.
橡树岭核电厂早期的化学设计并不关注核扩散，而是著眼于快速增殖。他们计划分离并储存镤-233，使其能够衰变为铀-233，而不会被反应炉中的中子捕获破坏。镤-233的半衰期为27天，储存2个月即可确保75%的铀-233衰变为铀-233燃料。对于液态氟化钍反应炉（LFTR）而言，镤的移除步骤本身并非必要。其他解决方案包括降低功率密度，从而增加裂变物质的库存（对于1倍或1.5倍流体），或增加包层（对于2倍流体）。此外，较硬的中子能谱有助于在不分离镤的情况下实现可接受的增殖。
如果指定进行Pa分离，则必须经常进行（例如每10天一次）才能有效。对于一座1吉瓦、单流体的核电厂来说，这意味著每天需要约10%的燃料或约15吨燃料盐进行后处理。只有在成本远低于目前固体燃料后处理成本的情况下，这才可行。
较新的设计通常避免了镤-233的去除，并减少了需要后处理的盐量，从而减少了化学分离所需的规模和成本。此外，它还避免了由于化学分离的Pa衰变中可能产生高纯度铀-233而引起的核扩散问题。
如果裂变产物与钍混合，分离会更加困难，因为钍、钸和镧系元素（稀土元素）的化学性质相似。建议的一种分离镴和去除镧系元素的方法是将其与熔融的铋接触。在氧化还原反应中，一些金属可以转移到铋熔体中，以换取添加到铋熔体中的锂。在低锂浓度下，铀、钸和钸会转移到铋熔体。在还原性较强的条件下（铋熔体中锂含量较高），镧系元素和钍系也会转移到铋熔体。然后，可以透过单独的步骤将裂变产物从铋合金中去除，例如透过与氯化锂熔体接触。然而，这种方法的发展程度远不及成熟。其他液态金属，例如铝，也可能采取类似的方法。
优势.
与传统固体铀燃料轻水反应炉相比，钍燃料熔盐反应炉具有许多潜在优势：
挑战.
LFTR与目前运作的商用动力反应炉截然不同。这些差异带来了设计难题和权衡：
最新进展.
富士 MSR.
富士熔盐反应炉（FUJI MSR）是一种100至200兆瓦（MWe）熔盐燃料钍燃料循环热增殖反应炉，采用与橡树岭国家实验室实验器类似的技术。该反应炉由一个由日本、美国和俄罗斯组成的联合体开发。作为一座增殖反应堆，它将钍转化为核燃料。 2010年7月，一个产业组织提交了富士熔盐反应炉的最新计划。他们预期其成本为每度电2.85美分。
IThEMS联盟计划在获得额外的 3 亿美元资金后，首先建造一座规模小得多、设计相同的MiniFUJI 10 MWe反应堆，但由于无法获得足够的资金，IThEMS于2011年关闭。 2011年，IThEMS首席科学家Kazuo Furukawa和Masaaki Furukawa创立了一家名为Thorium Tech Solution (TTS) 的新公司。 TTS 收购了 FUJI 的设计方案及其一些相关专利。
中国钍熔盐反应炉项目.
中华人民共和国启动了钍基熔盐反应炉技术研发计划。此计划于 2011 年 1 月在中国科学院年会正式宣布。其最终目标是在 20 年左右的时间研究和开发钍基熔盐核系统。 TMSR 研究计划的预期中期成果是在2015年建造一座2兆瓦的球床氟盐冷却研究反应炉，并在 2017 年建造一座 2 兆瓦的熔盐燃料研究反应炉。随后将建造一座 10 兆瓦的演示反应炉和一座 100 兆瓦的中试反应炉。此计划由江绵恒牵头，启动资金为3.5亿美元，已招募140名博士科学家，在上海应用物理研究所全职从事钍熔盐反应炉研究。截至2015年，员工人数已增至700人。截至2016年，他们的计划是，预计2025年将建成一个10兆瓦的LFTR试点项目，2035年将建成一个100兆瓦的版本。
2021年8月底，中国科学院上海应用物理研究所（SINAP）在甘肃武威建造了一座2兆瓦（热）实验钍熔盐反应炉，即液态燃料钍基熔盐实验堆(TMSR-LF1)。中国计划在2030年前进行373兆瓦版本的后续实验。
美国弗利贝能源(Flibe Energy/Thorium Energy).
柯克‧索伦森 (Kirk Sorensen)，前美国国家航空暨太空总署 (NASA)科学家、特莱达因布朗工程公司 (Teledyne Brown Engineering)首席核子技术专家，长期以来一直是钍燃料循环，尤其是液态氟化钍反应炉的推动者。他在 NASA 工作期间首次研究钍反应炉，当时他正在评估适用于月球殖民地的发电厂设计。关于这种燃料循环的资料出奇地难找，因此2006年索伦森创办了“energyfromthorium.com”，这是一个文档存储库、论坛和博客，用于推广这项技术。 2006 年，索伦森创造了"液态氟化钍反应炉"和"LFTR"命名法，以描述基于液态氟化盐燃料的熔盐反应炉设计子集，其设计在热谱中将钍增殖为铀-233。2011年，索伦森创立了 Flibe Energy，该公司最初打算开发 20-50 MW LFTR小型模组化反应炉设计，为军事基地供电；索伦森指出，在现代美国核子监管和政治环境下，推广新型军用设计比推广民用发电厂设计更容易。一份由美国电力研究院 (EPRI)和南方电力公司协调的独立技术评估，提供了迄今为止关于 Flibe Energy 提议的 LFTR 设计的最详细信息。
哥本哈根原子公司(Copenhagen Atomics).
哥本哈根原子公司是一家丹麦熔盐技术公司，致力于开发可大规模生产的 100MWth熔盐反应炉。哥本哈根原子公司废弃物燃烧器是一种单一流体、重水慢化、氟化物基、热光谱和自主控制的熔盐反应炉。它设计用于装入一个密封的 40 英尺不锈钢集装箱内。重水慢化剂与盐隔热，并持续排出并冷却至50°C (122°F) 以下。一种熔融的锂-7 氘氧化物 (7LiOD) 慢化剂版本也在研究中。反应炉采用钍燃料循环，使用从乏核燃料分离的钸作为第一代反应炉的初始裂变负载，最终过渡到钍增殖反应炉。哥本哈根原子公司正在积极开发和测试阀门、泵浦、热交换器、测量系统、盐化学和净化系统以及熔盐应用的控制系统和软体。
2024年7月，哥本哈根原子能公司宣布，他们的反应炉已准备好在真实场景中接受测试，并将于2026年在瑞士保罗谢尔研究所进行一项关键实验。
澳洲钍能源发电有限公司(TEG).
钍能源发电有限公司（Thorium Energy Generation Pty. Limited，TEG）是一家澳洲研发公司，致力于在全球开发液态氟化钍反应炉（LFTR）以及钍加速器驱动系统的商业化应用。截至2015年6月，TEG已停止营运。
英国阿尔文温伯格基金会(Alvin Weinberg Foundation).
阿尔文·温伯格基金会是一家英国慈善机构，成立于2011年，致力于提高人们对钍能源和低熔盐反应炉（LFTR）潜力的认识。该基金会于2011年9月8日在英国上议院正式成立。该基金会以美国核物理学家阿尔文·M·温伯格的名字命名，他是钍熔盐反应炉研究的先驱。
美国索尔康(Thorcon).
ThorCon核反应炉是美国Thorcon公司拟建的浮动熔盐反应炉。此双反应炉装置设计在船厂的装配线上制造，并透过驳船运送至任何海洋或主要水道海岸线。反应炉将以密封单元形式交付，且永远不会在现场打开。所有反应炉维护和燃料处理均在场外进行。
荷兰核子研究与咨询集团(NRG, Dutch Nuclear Research and Consultancy Group).
2017年9月5日，(NRG, Dutch Nuclear Research and Consultancy Group)宣布，正在对(Petten High Flux Reactor )内的熔融氟化钍盐进行辐照研究。