[發明專利]全能鈾-釷轉化-增殖堆裝置及生產核燃料鈾-233的方法

有效

• 申請號: 201310011868.7
• 申請日: 2013-01-11
• 公開（公告）號: CN103077759A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 呂應中
• 申請（專利權）人: 呂應中
• 主分類號: G21C21/02
• 分類號: G21C21/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術領域

一種全能鈾-釷轉化-增殖堆系統，其中采用一種四區三料的全能鈾-釷轉化-增殖堆：包括一個只含鈾的反應堆堆芯區、一個石墨反射層區、一個只含釷增殖層區、和一個輻照后核肥料釷與Pa-233的即時分離器區；并采用含鈾-235固態核燃料、含鈾-233液態核燃料、與含釷液態熔鹽核肥料三種核材料。這樣的組合可以實現同時產生高溫核能和U-233人造核燃料，達到釷的完全利用于生產核燃料鈾-233的目標。該全能鈾-釷轉化-增殖堆具備天然安全性，和傳統技術難于實現的獨特性能：即與傳統的流態燃料熔鹽增殖堆相比，其裂變燃料的裝載量低，從而核燃料的倍增時間大大縮短；而且其設備與回路污染顯著降低，利于運行、維修、與場地清理；與傳統的熔鹽冷卻球床動力堆相比，該全能堆不僅生產高溫動力，還兼備快速增殖核燃料的雙重功能。

背景技術

我國稀土資源豐富，生產量居世界之首。中國稀土礦藏又集中在內蒙古地區，由于礦渣中含有大量帶放射性的釷元素，后者基本上沒有獲得大規模的工業用途，長期積壓，堆積如山，造成嚴重環境污染，特別是地下水污染后，更可能威脅黃河下游，引起國人憂慮，迫切期望加以利用，便害為寶。釷元素本身雖然沒有裂變性能，但它吸收中子后，可以生成人造可裂變核素U-233，具有優于天然裂變核素U-235的若干性能，例如其熱中子裂變產生的次級中子數目為2.3，高于U-235的2.05，因而可能在熱中子堆內實現核燃料增殖，故世界核能發展史上曾掀起過一陣“釷的利用”熱潮：美國1950年代先后建成實現了采用液態熔鹽燃料的釷增殖試驗堆MSRE，和采用棒狀燃料的Shippingport釷增殖壓水堆；西德也于1990年代建成THTR釷增殖高溫石墨球床堆。這些外國經驗自然也引起國人高度關注。2011年1月，作為中國科學院首批啟動的戰略性先導科技專項之一，“未來先進核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統”項目正式啟動。其科學目標是用20年左右時間，研發出新一代核能系統，所有技術均達到中試水平并擁有全部知識產權。

該重點專項對我國能源意義極其重大。據中科院的上述報道稱：“未來40年，我國的核能應用將翻20倍；按照目前估計的核能發展趨勢，地球上的陸基鈾-235的儲量將與化石能源同時枯竭；我們需要一個更好的爐子，可以燒更多的核燃料；還能使用潛在的核資源釷-232；我國是釷資源大國，若能將釷用于核能，可保我國能源供應千年無憂。”

作為世界上正在高速崛起的人口大國，中國2011年初作出如此重大能源決策，頓時在全世界激起巨大反響。鑒于近年來世界陷入深刻的金融危機，緊接著日本福島核電站當年三月又發生嚴重核事故，致使發達國家的大規模先進核能研究陷于停頓，從而中國的這一國家級的大型核能計劃，更加成為舉世矚目的核能“利好”新聞，國外各類媒體(尤其網上)發表大量贊譽言論。在釷的利用與液態熔鹽燃料增殖堆創始地的美國，當中國科學院代表團訪問該國能源部后，即簽署了兩國政府級的技術合作研發熔鹽釷增殖堆的協議。世界其他國家和研究機構，也紛紛提出各種釷的利用研究計劃或建議，一時形成世界第二次“釷的利用”熱潮。

在中美雙方政府間的緊密合作下，中國釷的利用項目進展順利。2012年7月在中美專家會議上，確定了首先建造小型熔鹽冷卻的固體燃料球床實驗堆，并在此基礎上再進一步發展液態燃料熔鹽增殖試驗堆，走先引進然后本土化的道路。這條道路是后起國家發展成熟核電站時行之有效的一條技術路線，我國的核電工業發展當然也不例外。

然而，釷的利用在世界各國都處于探索階段，并不像大型核電站那樣已經具備了商業化引進的成熟技術。而且還有若干難于突破的技術關鍵尚無解決的途徑。因此，目前世界上并不存在一條通向液態燃料釷增殖堆的成熟道路。