IMSR：近在咫尺的商用熔盐反应堆核电厂

整体熔盐反应堆（INTEGRAL MOLTEN SALT REACTOR：IMSR）是一种商业上可行的MSR，是加拿大Terrestrial Energy公司旨在满足当今电力市场需

整体熔盐反应堆（INTEGRAL MOLTEN SALT REACTOR：IMSR）是一种商业上可行的MSR，是加拿大Terrestrial Energy公司旨在满足当今电力市场需求，包括成本竞争力，可扩展性和孤岛电网运行的新型民用热电模块化反应堆设计。设计目标是2020年代初在加拿大“本土”建成“商用”熔盐堆核电厂，为重化工业提供电力和工艺热能。

插几个时间节点：

• 2016年2月获加拿大政府资助，鼓励提交设计，供国家核安全主管部门颁证前“预审”；
  
• 2016年9月13日，美国能源部（DOE）邀请Terrestrial Energy美国分公司（Terrestrial Energy USA）提交在美首次取证和建造190MWe IMSR型核电厂“贷款保证申请”文件的第二部分；
  
• 同年10月4日IAEA出版物《模块式小堆技术的进展——IAEA先进堆信息系统（ARIS）的补充》2016版，详细介绍了IMSR400型核电厂概念设计。
  

不难看出IMSR在北美崛起速度之快，下面分析一下此堆型的基本特性。

总体特征

根据TE公司官方口径描述，IMSR总体设计特征如下：

本质上来说，IMSR400热功率为400兆瓦（MWt），是个小型模块化的、熔盐燃料的反应堆。它的特征是循环泵、热交换器和控制棒全都整合在密封的反应堆容器之内。这个容器称为IMSR堆芯模块（也可称“堆芯装置”），使用期末，作为单一装置整体“更换” (7年)。这使此模块的质量控制和经济达到“工厂生产”水平，同时避免在核电厂现场有任何打开和检修的需要。

其最终安全不依赖操纵员“干预”；处理异常状态不依靠诸如供电或仪表空气给机械部件提供动力、冷却剂注入或它们的支持系统。这些性能特征，通过以下设计特点的组合实现:

• 同时采用熔盐燃料，避免堆熔事故，同时也避免了加压水的使用；

• 借助盐的惰性和稳定性以提升反应堆安全性，谓之固有稳定的堆芯；

• 完全非能动的后备堆芯和安全壳（密闭）冷却系统；

• 一体化的反应堆结构。

总体设计与运行

ISMR很大程度上基于1950–1970年代橡树岭国家实验室（ORNL）的密集型熔盐堆设计（DMSR）。实际上，国内早就有科研单位（上海应用物理研究所）在和美国能源部的国家实验室合作研究钍基熔盐堆，但是，ISMR与采用钍的大多数熔盐反应器设计不同，后者需要更复杂的增殖器目标，使用低浓铀燃料，当然，大多数运行的动力反应堆也是如此。而IMSR燃料是四氟化铀（UF4）。 这种燃料与载体盐混合，载体盐也是氟化物，例如氟化锂（LiF），氟化钠（NaF）和/或氟化铍（BeF 2）。 这些载体盐增加了燃料（同时也是冷却剂）的热容量并降低了燃料的熔点。

传热回路与冷却系统

液态燃料 - 冷却剂混合物通过由石墨元件调节的核反应堆堆芯，使其成为热中子反应堆。在芯中加热之后，液体燃料再通过位于反应器容器内的热交换器。 所有主要部件，换热器等都位于反应容器内部，这种设计避免了可能泄漏或破裂的燃料进入外部管道。

堆容器外部的管道包含次非放射性的二回路冷却剂盐。 该盐用作附加的阻隔屏障和散热器，并将其能量传递到产生电或过程热的汽轮机设备，或两者的组合设备。

图1: IMSR400发电的主要热传输路径

图2:IMSR堆芯模块散热方法

堆芯模块

IMSR为一体化反应堆设计。这意味着反应堆的堆芯、主泵、热交换器和控制棒全都装在单一容器内，称之为IMSR堆芯模块（core-unit）。堆芯模块在严格质量控制的工厂环境预制，然后运到核电现场，吊入非核级堆仓环绕的防护容器（安全壳）内，依次总装。在这儿，堆芯模块与内含非放冷却剂盐的辅助管道连接。为使安全和密封最优化，这种冷却剂盐用于惰性、低压的“中间”回路，在临界的反应堆回路与蒸汽发电回路之间循环。取决于要求的用途，提供动力的蒸汽回路是传统的、现成的发电和/或工业蒸汽生产的汽轮机。换言之，部分或全部热熔盐可直接用于工艺供热。

图3: IMSR堆芯模块化设计

核燃料与燃料循环

作为液态燃料的反应堆，堆芯没有燃料“元件”。燃料可由低浓缩铀氟化物、钚氟化物、钍氟化物或它们的任何混合物构成。IMSR40型的首堆将利用“一次通过”式、低浓缩铀燃料循环，因为这是最简单的选择。这种燃料盐用冷却剂盐稀释，包括的氟化物如氟化钠、氟化铍和/或氟化锂。这种混合物同时构成燃料和主冷却剂。这种燃料-冷却剂的混合物，经临界的石墨慢化（热谱）堆芯、然后通过热交换器，构成一个完整的循环，把它的热能传输给第二冷却剂盐回路。后者充稀释的基本盐(不加燃料盐)，依次再热量传输给另一中间盐回路。第二个中间盐回路或称“第三回路”，通过在主回路冷却剂总放射性与汽轮机之间增加另一屏障，提高安全。此“第三个回路”使用硝酸盐，熔点低(避免蒸汽发生器冻结)，而且与蒸汽兼容(发生泄漏)。最后，硝酸盐加热蒸汽发生器产生蒸汽，用于工艺供热或汽轮发电机组发电。

与此同时，IMSR可在运行中加燃料。此外，与固体燃料反应堆不同，无需在补充燃料期间排出部分“老料”。在整个带功率运行期间，堆芯模块的所有燃料保留在封闭的IMSR堆芯模块内。少量额外“补充”的燃料盐仅仅“供入”上部“气腔”。

目前来看，ISMR还做不到闭式燃料循环，但是从官方口径描述，由于其模块化堆芯设计，当更好的乏燃料处理技术开发出来之后，可以“即插即用”。

安全性设计

IMSR基本设计安全方法是实现核电机组内在的、“简单”（walk-away）安全。无需操纵员干预、电力或者外部提供动力的机械部件，确保下述最基本的安全功能：

• 控制：

常规操作下，IMSR依赖于反应性控制的内在稳定性。 这种行为被称为负功率反馈 - 电抗器在功率输出和温度方面是自稳定的，并且被表征为负载跟随电抗器。同时，作为备份，IMSR采用流动驱动的控制棒，如果泵送流量损失，则该控制棒下沉到芯中。 备用熔盐罐的形式提供冷却剂补充，该罐置于IMSR核心单元内部，填充有非常强的中子吸收剂，如果过热发生，备用罐熔化导致停堆。

• 冷却：最初有内在的热阱吸收瞬态和衰变热，散热提供堆芯和密封容器长期冷却。

IMSR使用低压下的液体燃料，不依赖于将冷却剂引入反应器或使反应器减压。 IMSR制冷是被动的。热量从核心单元连续消散。在正常操作期间，通过使用通常为固体缓冲盐形式的可熔性绝缘体减少热损失。将缓冲盐放置在除了顶部之外的所有侧面上包围反应器的环形罐中。在初级盐泵关闭时，反应堆被关闭，但是衰变热依旧存在，从而加热熔化缓冲盐，以熔化潜热吸收衰变热，然后通过液化的缓冲盐提供对流冷却。在环形缓冲盐槽的外部，是一系列充水冷却管。这就是所谓的冷却套。熔化的缓冲盐将热传递到夹套的自然对流冷却剂。这使得冷却套水蒸发。夹层包含的水可供超过7天的蒸发冷却。核心单元在其容纳仓中的整个系统的热动力学和惯性足以吸收和分散衰变热。

• 包容：氟盐化学稳定，能把放射性裂变产物“绑定”在盐内，而且沸点极高。多重工程屏障为固有的包容性提供后备。反应堆局部防御体和厚混凝土钢屏蔽相结合，可抵御外部事件如地震、爆炸和飞机撞击。

总体来说，IMSR安全哲学是，首先消除推动放射性物质进入环境的驱动因素。特别是反应堆总是低压运行，归因于燃料-冷却剂混合物的惰性、低挥发性，而且堆内没有水或蒸汽。这种方法完全消除了反应堆系统的物理和化学储能。IMSR用其“整合”的无管道、故障安全的系统结构，进一步增强基于物理的、高水平的、内在的安全。

IMSR不依赖反应堆降压或促使冷却剂进入堆内。所有必需的控制和散热功能已经到位—就在IMSR堆芯模块内和周围。因此，IMSR完全消除了对支持系统、阀门、泵、和操纵员干预的任何依赖。短期和长期都这样。IMSR设计师把熔盐堆技术、一体化反应堆设计和独特的冷却系统结合起来，使这一切成为可能。

图4: IMSR电厂布局

总体来说，IMSR是美国橡树岭国家实验室60-70年代运行的DMSR装置的“翻版”或放大版，虽然并不“完美”，但具有第四代核能系统所有最根本的特征，代表核安全、核废物、核扩散和成本竞争力方面的革命。尤其是它固有的运行灵活性，可以弥补非传统可再生能源（风能和太阳能）的不足。时间轴来说，TE官方计划在2020年之后几年内获得许可文件并将在加拿大建设首堆，这么看来应该是目前来说是离我们最近的可商用布局“四代减堆型”。让我们拭目以待吧！