熔盐反应堆

**熔鹽反應爐**（英語：**molten salt reactor, MSR**）是核分裂反應爐的一種，屬於第四代反應爐，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。在許多設計方案中核燃料，如 四氟化鈾（UF4），溶於熔融的氟化物鹽。爐芯用石墨做慢化劑，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

#### 飛行器反應爐試驗

對熔鹽反應爐的集中研究始於美國飛行器反應爐試驗（US Aircraft Reactor Experiment, ARE）。ARE 是一個熱功功率 2.5 MWth 的核反應爐試驗，旨在使核反應爐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爐實驗：國家反應爐試驗站（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（53-41-6 mol%）作為燃料，用氧化鈹（BeO）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 100 MW - 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

#### 熔鹽反應爐試驗

在 20 世紀 60 年代，橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）在熔鹽反應爐研究中居於領先，他們的大部分工作隨著熔鹽反應爐試驗（Molten-Salt Reactor Experiment, MSRE）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」。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。反應爐攝氏 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 位於 ORNL。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 於 1965 年達到臨界，運行了四年。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。

### 21 世紀

由於核融合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，在千禧年時對熔鹽反應爐又重新恢復了興趣
。

## 最近的進展

### 液態鹽甚高溫反應爐

截至 2010 年 9 月 (2010-09)，利用熔融鹽作為冷卻劑的反應爐方面的研究一直在持續。傳統熔鹽反應爐和甚高溫反應爐（Very High Temperature Reactor, VHTR）都被視作可能的設計方案納入到第四代反應爐初步研究（GEN-IV）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爐（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，屬於被動安全系統，以及意外事故中更好的裂變產物保持能力。

### 液氟釷反應爐

富士反應爐為一種迷你熔鹽反應爐是電功功率 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爐相類似的技術。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。作為熱譜反應爐，它的中子調節是固有安全的。與所有熔鹽反應爐一樣，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。一個全尺寸反應爐有望在 20 年內被開發出來， 但該項目似乎缺少資金支持。

## 參見

* 水均勻反應爐
* 第四代反應爐
* 一體化快堆
* 液態氟化釷反應爐
* 液態金屬冷卻反應爐
* 核動力飛機
* 核動力
* 釷燃料循環

## 參考文獻

## 延伸閱讀

* Energy from Thorium's Document Repository （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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
* Molten Salt Chemistry Plays a Prominant (sic) Role in Accelerator-Driven Transmutation Systems. （原始內容存檔於 2014 年 5 月 23 日）.
* Material Considerations for Molten Salt Accelerator-based Plutonium Conversion Systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） J.H. Devan et al.

## 外部連結

* International Thorium Energy Organisation – www.IThEO.org
* Idaho National Laboratory Molten Salt Reactor Fact Sheet （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Energy from Thorium （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Blog / Website
* Google TechTalks – Liquid Fluoride Thorium Reactor: What Fusion Wanted To Be by Dr. Joe Bonometti NASA / Naval Postgraduate School （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Review of Molten Salt Reactor Technology （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）