简介

TMSR核能系统项目是中科院先导科技专项之一，其战略性目标是研发第四代裂变反应堆核能系统(TMSR核能系统) TMSR核能系统包括:钍铀核燃料的制备、熔盐反应堆、钍基熔盐堆燃料(废料)的后处理。计划通过20年左右的研究工作，解决钍铀燃料循环和钍基熔盐堆相关重大技术挑战，研制出工业示范级TMSR，实现针资源的有效使用和核能的综合利用。该项目分为3个阶段:2011-2015年为起步阶段;2016-2020年为突破阶段;2020-2030年为发展阶段，解决相关的科学问题，发展和掌握相关的核心技术，建成工业示范钍基熔盐堆核能系统2。

TMSR核能系统近期(至2020年之前)的科技目标由两部分组成。一是建成2MW钍基熔盐实验堆，掌握相关的关键技术将分别建成:2MW固态钍基熔盐堆(也称为钍基球床型氟盐冷却高温堆Th-U pebble-bed FHR)，实现改进的开环模式下的钍铀燃料循环;2MW液态钍基熔盐堆(Th-UMSR)，实现完全闭式的钍铀燃料循环。二是形成支撑未来TMSR核能系统发展的若干技术研发能力(包括研究条件、关键技术和科技队伍):TMSR设计和研发能力，熔盐制备技术和回路技术研发能力，钍铀燃料的前道技术与后道技术研发能力，熔盐堆用高温材料的研发能力，熔盐堆安全规范制定和许可证申办能力;同时建设高温电解制氢、二氧化碳加氢制甲醇、布雷顿循环前道及太阳能熔盐集热传热等多用途系统的实验装置。

钍基核燃料裂变核能的燃料可分为铀基和钍基两类，目前的核电工业使用的燃料基本都是铀基核燃料。由于能源需求的高速增长，对核燃料的需求越来越大，使钍基核燃料利用的重要性突显，开发利用储量大于铀基核燃料的钍基核燃料越来越受到关注钍基核燃料中的钍类似于铀一，首先要通过转换或增殖才能作为裂变核能的燃料使用。人类尝试过的使用钍基核燃料的反应堆有轻水堆、重水堆和球床式高温气冷堆，刀使用钍基核燃料与使用铀基核燃料在技术上有相似之处，但不完全相同，具有一些独特的优势与挑战1。

钍基核燃料和铀基核燃料利用的工作模式有开环模式和闭环模式。开环又称一次通过，目前核能工业中的核燃料均采用开环模式，核燃料的利用率约为1 %-2%。闭环(闭式循环)又称核燃料再循环，是通过乏燃料(使用过的核燃料)、核燃料的再制备和进堆使用，实现多次重复核燃料循环过程，理论上闭环模式下核燃料利用率约60核燃料不进行或部分进行后处理，实现多次使用是介于两者之间的工作模式，称为改进的开环模式，通过不停堆换料技术实现核燃料的深度燃耗，如球床气冷堆和重水堆，均可大幅度提高核燃料的利用率(理论估计约为5%-10%)。

熔盐堆熔盐堆是将核燃料融在用作冷却剂的液态氟化盐中的一种液态燃料堆。液态氟化盐既用作冷却剂，也用作核燃料的载体当冷却剂流出反应堆芯时，可以利用干法分离技术(将乏燃料融于液态熔盐中，利用电化学等方式进行元素分离)实现同位素(包括增殖产物和裂变产物)的在线分离(或原位离线分离)。

熔盐堆的概念在上世纪末和本世纪初受到科学界新的重视不仅被选为第四代反应堆的6个候选堆型(日本的Fuji-MSR, )，而且在传统的熔盐堆基础上发展出多种不同的设计，以用于不同的目的。熔盐堆可设计成热中子堆，也可设计成快中子堆;专用于钍基核燃料循环的熔盐堆也称之为钍基熔盐堆(或液态钍基熔盐堆);加速器驱动次临界堆技术的应用有可能降低在线分离的难度。这些设计包括法国的MSFR、俄罗斯的MOSART等。

核能的非电应用，就是将反应堆产生的高温热直接用于其他工业系统(如开采页岩油)。核能的非电应用极大地扩大了核能的应用范畴，特别是通过高温制氢，使其可以与传统的化石能源结合，有助于大幅度减少二氧化碳的排放。甲醇经济是这种结合的一个理想模式熔盐堆良好的高温特性使其成为核能非电应用主要候选者之一，FHRS的发展驱动力也正是核能的非电应用3。

总结在目前流行的固态燃料反应堆中，钍基核燃料大多只能采用一次通过的开环模式，核燃料的利用率有限。熔盐堆加上干法在线分离技术有可能实现钍基核燃料的闭环工作模式。而改进的开环模式则可以作为开环模式向闭环模式过渡的一种中间工作状态。以球床型氟盐冷却高温堆作为钍铀燃料循环的起步，同时还可以兼顾核能的非电应用。采取“二步走”战略发展钍铀核燃料循环技术，即从改进的开环(固态钍基熔盐堆)到完全闭环(液态钍基熔堆)，同时兼顾核能的非电应用是本专项的基本技术路线图1。