熔鹽堆

熔鹽堆（molten salt reactor, MSR）是核裂變反應爐的一種，屬於第四代反應堆，其主冷卻劑以至燃料本身都是熔鹽混合物，它可以在高溫下工作（可獲得更高的熱效率）時保持低蒸氣壓，從而降低機械應力，提高安全性，並且比熔融鈉冷卻劑活性低。對第四代反應爐設計的更多研究開始重新引起人們對該技術的興趣，多個國家都有項目，截至2021年9月，中國即將啟動其液態燃料釷基熔鹽實驗堆(TMSR-LF1)。

核燃料既可以是固體燃料棒，也可以溶於主冷卻劑中，從而無需製造燃料棒，簡化反應爐結構，使燃耗均勻化，並允許在線燃料後處理。在許多設計方案中以如四氟化鈾等溶於熔融的氟化物鹽為核燃料。爐芯用核石墨做慢化劑，熔鹽流體在其中達到臨界。許多現代設計方案採用陶瓷燃料在石墨基質中均勻分布，熔鹽提供低壓高溫冷卻的形式。熔鹽更有效地將熱量帶出爐芯，減少對泵、管道的需求，並因此而的縮小爐芯的尺寸。

在20世紀50年代這是新構想然而後續種種時代原因被美蘇兩國放棄，其他國家又缺乏預算和技術研發，導致停頓，但隨著新材料工程的出現與時代要求變遷，這一技術重新受到了關注。美國早期的「飛行器反應爐試驗（1954）」的主要動因在於熔鹽反應爐尺寸小，而「熔鹽反應爐試驗（1965-69）」是釷燃料循環增殖反應爐核電站的樣機，但最後都沒有再持續發展。

## 歷史

### 1950年代

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#### 飛行器反應堆試驗

1946年5月28日，美國空軍啟動了「飛機核能推進計劃」(Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft，NEPA)，旨在初步研究核動力飛機的可行性。該項目也是1951年「核動力飛機計劃」（Aircraft Nuclear Propulsion，ANP）的前身，該計劃需要使用一種小型、高輸出的液體燃料釷反應堆以滿足長時間續航要求。為此美國進行了飛行器反應堆試驗（US Aircraft Reactor Experiment，ARE）。

ARE是一個熱功功率2.5MWth的核反應堆試驗，旨在使核反應堆達到可作為核動力轟炸機引擎的高功率密度。該計劃促成了幾個試驗，其中的三個引擎測試實驗統稱為熱轉移反應堆實驗：國家反應堆試驗站（現在的愛達荷國家實驗室）的HTRE-1，HTRE-2和HTRE-3。其中一個實驗用熔融氟化物鹽NaF-ZrF4-UF4（53-41-6mol%）作為燃料，用氧化鈹作為慢化劑，用液態鈉作為第二級冷卻劑，峰值溫度為攝氏860°C。它在1954年以100MW-小時連續運行了超過九天。本實驗的金屬結構和管道採用了鉻鎳鐵600合金。

### 1960-70年代

#### 熔融鹽釷反應堆試驗

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在20世紀60年代，橡樹嶺國家實驗室在熔鹽堆研究中居於領先，並以液態燃料熔鹽實驗堆（Molten-Salt Reactor Experiment, MSRE）使其達到頂峰。MSRE是一個熱功功率7.4 MWth的試驗堆，用以模擬固有安全超熱釷增殖堆的中子「核」。MSRE於1965年建成並達到臨界，運行了四年。它測試了鈾和鈽的熔鹽燃料。被測試的235UF4液態燃料有著將廢物減至最少的獨特衰變路徑，廢物同位素的半衰期在50年以下。反應堆攝氏650度的熾熱溫度可以驅動高效熱機——例如燃氣輪機。為了便於中子測量，龐大而昂貴的釷鹽增殖層被略去。MSRE管道、堆芯包殼和結構組件由哈斯特洛合金-N製造，其慢化劑是熱解石墨。MSRE的燃料是LiF-BeF2-ZrF4-UF4（65-30-5-0.1），石墨堆芯慢化，第二級冷卻劑是FLiBe（2LiF-BeF2）。MSRE溫度達到攝氏650°C，運行時間相當於滿功率運行1.5年。1969年該試驗被美國停止，美國熔鹽堆研發中止。

1970代初，中國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，但限於中國當時的科技、工業和經濟水平，728工程轉為建設輕水反應堆。

### 21世紀

由於核聚變發電和其他核電計劃的持續延遲、以及對於產生最小溫室氣體 (GHG) 排放的能源的需求增加，在千禧年時對熔鹽堆又重新恢復了興趣。

## 最近的進展

### 液態鹽甚高溫反應堆

利用熔融鹽作為冷卻劑的反應堆方面的研究一直在持續。傳統熔鹽堆和甚高溫反應堆（Very High Temperature Reactor, VHTR）都被視作可能的設計方案納入到第四代反應堆初步研究框架下。當前正在被研究的VHTR版本之一是液態鹽甚高溫反應堆（Liquid Salt Very High Temperature Reactor, LS-VHTR），一般也被稱為先進高溫堆（Advance High Temperature Reactor, AHTR）。本質上，它是主迴路不採用氦迴路，而採用液態鹽作為冷卻劑的標準VHTR設計方案。它依賴於分布在石墨中的「TRISO」燃料。早期，AHTR關於石墨的研究集中在六角形石墨慢化塊的插入石墨棒的形式，但如今的研究主要集中在鵝卵石式的燃料形式。LS-VHTR有許多吸引人的特性，包括：在甚高溫度下工作的能力（大部分LS-VHTR所考慮的熔融鹽的沸點都在1400°C以上），低壓冷卻更容易匹配氫氣生產廠條件（多數熱化學循環要求溫度超過750°C），比相似工作條件下的氦冷VHTR有更好的電能轉換效率，屬於被動式核能安全系統，以及意外事故中更好的裂變產物保持能力。

### 液態氟化釷反應爐

富士反應堆為一種迷你熔鹽堆是電功功率100MWe的熔鹽燃料釷燃料循環熱增殖堆，採用與橡樹嶺國家實驗室反應堆相類似的技術。它由日本、美國和俄羅斯聯合開發。作為一個增殖堆，它將釷轉換為核燃料。作為熱譜反應堆，它的中子調節是固有安全的。與所有熔鹽堆一樣，它的堆芯是化學惰性的，工作在低壓條件下，這可以防止爆炸和有毒物釋放。一個全尺寸反應堆有望在20年內被開發出來，但該項目似乎缺少資金支持。

### 中國的釷基熔鹽反應堆研究

2011年，中國科學院啟動釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）專項研究計劃，由上海應用物理研究所牽頭重啟研發TMSR，目標是用約20年的時間達成在國際上首先實現釷基熔鹽堆的應用，並建立相關產業鏈與科研隊伍。2017年4月，甘肅省武威市政府與中國科學院簽訂合作協議，於民勤縣展開釷基熔鹽堆核能系統項目的研究與建設，該項目總投資220億元，分兩期建設，於2018年9月開工至2021年完工其主體工程：2MWt液態燃料釷基熔鹽實驗堆（TMSR-LF1）。2023年6月7日，中國國家核安全局頒發了該項目的運行許可，准許其進行裝料、調試和試運行。

2023年12月5日，中國江南造船發布KUN-24AP型24000TEU大型貨櫃船，該船經挪威船級社頒發原則性認可證書，以第四代核電技術釷基熔鹽反應堆，以釷燃料發電作為其動力來源。該反應堆採用中子源轟擊釷-232以使其在β衰變後變成裂變材料鈾-233的核裂變產生反應堆能量，經一、二迴路的氟化鹽作為介質傳導、冷卻熱量，再傳遞給使用純水或者二氧化碳作為介質的三迴路以導出熱量給汽輪機用於發電，再經電動機帶動螺旋槳推進船艦移動。釷基熔鹽反應堆的優勢在於對壓力容器的要求比較低、沒有堆芯熔毀的危險、反應堆產物相對比較安全，缺點在於氟化鹽對於壓力容器和迴路管路的腐蝕性較強。該船型需每15-20年進行一次動力維護。

## 延伸閱讀

- Energy from Thorium's Document Repository Contains scanned versions of many of the U.S. government engineering reports, over ten thousand pages of construction and operation experience. This repository is the main reference for the aircraft reactor experiment and molten-salt fueled reactor's technical discussion.
- The First Nuclear Era : The Life and Times of a Technological Fixer by Alvin Martin Weinberg
- Bruce Hoglund's Eclectic Interests Home Page Nuclear Power, Thorium, Molten Salt reactors, etc.
- Generation IV International Forum MSR website
- INL MSR workshop summary
- Material Considerations for Molten Salt Accelerator-based Plutonium Conversion Systems J.H. Devan et al.

## 外部連結

- International Thorium Energy Organisation – www.IThEO.org
- Idaho National Laboratory Molten Salt Reactor Fact Sheet
- Energy from Thorium Blog / Website
- Google TechTalks – Liquid Fluoride Thorium Reactor: What Fusion Wanted To Be by Dr. Joe Bonometti NASA / Naval Postgraduate School YouTube
- Pebble Bed Advanced High Temperature Reactor
- Thorium Remix LFTR in 5 Minutes and other LFTR Documentaries.
- Kun Chen from Chinese Academy of Sciences on China Thorium Molten Salt Reactor TMSR Program
- Review of Molten Salt Reactor Technology