概要： IMSR是加拿大陆地能源公司（TEI）开发的模块式、一体化熔盐堆。“既定”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[1]。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”[2，3]；2016年9月13日“突曝”美国能源部（DOE）邀请该公司的美国分公司（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[4,5]。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[6]。 许多人对“非水冷”反应堆不很了解，更不用说非传统、先进熔盐冷堆了。其实，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，但支持者不多，反响不大。传统、主流核能专家和核工业界高层人士“或许”还没有充分意识到，这种新颖的核能系统，有可能打破目前世界核工业的“困局”，开辟10-15年研发的“窗口”，使核能在未来世界能源组合中占据“一席”甚至更大的“阵地”…… 1. 引言 热功率400兆瓦（MWt）的一体化熔盐堆（IMSR400）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” (名义上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。
图1: 两个堆仓内的堆芯模块和防护容器 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:
2. 应用目标 IMSR型核电机组（厂）目的是从基荷到负荷跟踪，适应不同载荷的用户。以单一模块化、可更换堆芯模块为特征，极高度可靠为目标。IMSR是专门为工厂预制设计的。核部件小，公路就可运输。IMSR堆芯模块是专设、短寿期运行的，允许工厂专设生产线半自动化地生产，类似喷气式飞机发动机的生产线。 3. 发展里程碑 2015年 完成概念设计 2016年 开始供应商设计预颁证审评 (经由加拿大核监管部门实施) 2016年 基本设计阶段开始 2020年代初 获得必要的许可文件 2020年代初 计划在加拿大建设第一个全范围的核电厂（机组） 4. 总体设计描述 设计原则 这个设计在很大程度上基于1950–1970年代橡树岭国家实验室（ORNL）的密集型熔盐堆工程。这个工程做了广泛的研究，开发了熔盐堆材料和设备。包括适合充当中子慢化剂的石墨、排盐的箱罐，以及容纳器材、泵和热交换器的热室等物项。ORNL的这个项目建设，以熔盐堆实验装置（MSRE）成功运行达到顶峰。MSRE采用熔态氟化物的燃料盐，也是主冷却剂。这种燃料-冷却剂混合物，在临界的、石墨慢化的堆芯与外部热交换器之间循环。IMSR本质上是个放大版的MSRE配置。这使所需的研发（R&D）最小化。IMSR也受最近ORNL设计的、小型模块化先进高温堆（SmAHTR）的影响；后者使用固体燃料，用氟盐做冷却剂，但有“一体化”的架构，主泵、热交换器和控制棒全都整合在密封的反应堆容器之内。 能量转换系统 IMSR使用的氟化物熔盐，是一种高度稳定的惰性流体，对其主燃料盐，具有很强的冷却剂性能和内在的放射性核素高滞留属性。二次冷却剂回路也用氟盐（但没有燃料），从整合在堆芯模块内的主热交换器向外传输热量。正如图2所示，这个冷却剂盐回路依次把热负荷转移到太阳能盐回路，这样就把核岛内的热能抽到单独的厂房，加热蒸汽发生器，产生过热蒸汽发电，或给工艺设备供热。 图2: IMSR400发电的主要热传输路径 反应堆和堆芯模块 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。 燃料特征 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。然而，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。 燃料处理和堆芯模块更换方法 新或“鲜”的燃料呈固态，分别运入电厂，熔化并加入IMSR堆芯模块。这使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”。 与其他动力堆系统不同，在启动加燃料或换料期间，从不需要在电厂现场打开IMSR堆芯模块。大约7年带功率运行后，堆芯模块关闭、冷却一段时间后，用过的燃料用泵抽出，送到安全壳内部坚固的储罐内。 主要技术参数
此时，允许用过的、空的堆芯模块“原地”冷却数年，待其放射性充分减少，允许安全地从其安全壳筒仓移出。IMSR400是个单机组核电厂，但是用了两个堆芯模块筒仓，允许装载的堆芯模块移出筒仓：允许用过的筒仓长期冷却，而另一筒仓切换连接新堆芯模块到二回路盐冷管线。这么长时间冷却期后，用过的、空的堆芯模块可移入长期储存筒仓，再停留一段时间。过了这段时间，堆芯模块可运送到一个“设施服务中心”，回收或准备地质封存。同样地，单独储存的乏燃料也可以运送到一个“设施服务中心”，回收燃料或转换形态供封存。密封的、一体化的反应堆结构和“一次通过”式“燃烧器”燃料循环模式，使真正的核电厂现场永远运行在清洁、简单的环境，没有设施污染的风险。 IMSR有内在的、设计的和程序化的特征，抵御核扩散，防止把易裂变材料用于武器生产。 冷却系统 独特的冷却系统基于热容量和热损失，是不可改变的。热容量归因于燃料盐、容器金属和石墨的热质。因为反应堆容器不保温，才有热损失。短期冷却靠堆芯模块功率密度低和氟化物燃料盐内部自然循环的能力，导致瞬态和衰变发热吸收能力巨大。 长期冷却靠不保温的反应堆容器散热，没有保温的反应堆容器本身被防护容器包围着。防护容器是个围绕堆芯模块的密封容器，通过其容器壁提供密封和冷却。堆芯模块过热使之温度上升，热损失也上升，进而通过热辐射加大向防护容器传热。防护容器本身被坚固的空气冷却水套围绕着。这种冷却水套提供长期冷却。万一水套泄露或损坏，将在大气压下继续冷却（详见图3）。 图3: IMSR堆芯模块散热方法 反应性控制 借助熔盐燃料可能的温度负反馈确保反应堆临界控制。温度负反馈保证过热、甚至失去所有控制系统时的反应堆安全。熔盐燃料受热或受辐照不“降解”（性能退化），所以实际上，堆功率不受燃料的限制。 就控制功能而言，冗余的停堆棒也整合在IMSR堆芯模块内。这种停堆棒一旦失去强制循环即关闭反应堆，失电也会插入堆芯。提供的另一后备是“易熔罐”式的，内装液态中子吸收材料，过热即注入堆芯，关闭反应堆。 |
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