整體熔鹽反應堆（INTEGRAL MOLTEN SALT REACTOR：IMSR）是一種商業上可行的MSR，是加拿大Terrestrial Energy公司旨在滿足當今電力市場需

整體熔鹽反應堆（INTEGRAL MOLTEN SALT REACTOR：IMSR）是一種商業上可行的MSR，是加拿大Terrestrial Energy公司旨在滿足當今電力市場需求，包括成本競爭力，可擴展性和孤島電網運行的新型民用熱電模塊化反應堆設計。設計目標是2020年代初在加拿大“本土”建成“商用”熔鹽堆核電廠，為重化工業提供電力和工藝熱能。

插幾個時間節點：

• 2016年2月獲加拿大政府資助，鼓勵提交設計，供國家核安全主管部門頒證前“預審”；
  
• 2016年9月13日，美國能源部（DOE）邀請Terrestrial Energy美國分公司（Terrestrial Energy USA）提交在美首次取證和建造190MWe IMSR型核電廠“貸款保證申請”文件的第二部分；
  
• 同年10月4日IAEA出版物《模塊式小堆技術的進展——IAEA先進堆信息系統（ARIS）的補充》2016版，詳細介紹了IMSR400型核電廠概念設計。
  

不難看出IMSR在北美崛起速度之快，下面分析一下此堆型的基本特性。

總體特征

根據TE公司官方口徑描述，IMSR總體設計特征如下：

本質上來說，IMSR400熱功率為400兆瓦（MWt），是個小型模塊化的、熔鹽燃料的反應堆。它的特征是循環泵、熱交換器和控制棒全都整合在密封的反應堆容器之內。這個容器稱為IMSR堆芯模塊（也可稱“堆芯裝置”），使用期末，作為單一裝置整體“更換” (7年)。這使此模塊的質量控制和經濟達到“工廠生產”水平，同時避免在核電廠現場有任何打開和檢修的需要。

其最終安全不依賴操縱員“干預”；處理異常狀態不依靠諸如供電或儀表空氣給機械部件提供動力、冷卻劑注入或它們的支持系統。這些性能特征，通過以下設計特點的組合實現:

? 同時采用熔鹽燃料，避免堆熔事故，同時也避免了加壓水的使用；

? 借助鹽的惰性和穩定性以提升反應堆安全性，謂之固有穩定的堆芯；

? 完全非能動的后備堆芯和安全殼（密閉）冷卻系統；

? 一體化的反應堆結構。

總體設計與運行

ISMR很大程度上基于1950–1970年代橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的密集型熔鹽堆設計（DMSR）。實際上，國內早就有科研單位（上海應用物理研究所）在和美國能源部的國家實驗室合作研究釷基熔鹽堆，但是，ISMR與采用釷的大多數熔鹽反應器設計不同，后者需要更復雜的增殖器目標，使用低濃鈾燃料，當然，大多數運行的動力反應堆也是如此。而IMSR燃料是四氟化鈾（UF4）。 這種燃料與載體鹽混合，載體鹽也是氟化物，例如氟化鋰（LiF），氟化鈉（NaF）和/或氟化鈹（BeF 2）。 這些載體鹽增加了燃料（同時也是冷卻劑）的熱容量并降低了燃料的熔點。

傳熱回路與冷卻系統

液態燃料 - 冷卻劑混合物通過由石墨元件調節的核反應堆堆芯，使其成為熱中子反應堆。在芯中加熱之后，液體燃料再通過位于反應器容器內的熱交換器。 所有主要部件，換熱器等都位于反應容器內部，這種設計避免了可能泄漏或破裂的燃料進入外部管道。

堆容器外部的管道包含次非放射性的二回路冷卻劑鹽。 該鹽用作附加的阻隔屏障和散熱器，并將其能量傳遞到產生電或過程熱的汽輪機設備，或兩者的組合設備。

圖1: IMSR400發電的主要熱傳輸路徑

圖2:IMSR堆芯模塊散熱方法

堆芯模塊

IMSR為一體化反應堆設計。這意味著反應堆的堆芯、主泵、熱交換器和控制棒全都裝在單一容器內，稱之為IMSR堆芯模塊（core-unit）。堆芯模塊在嚴格質量控制的工廠環境預制，然后運到核電現場，吊入非核級堆倉環繞的防護容器（安全殼）內，依次總裝。在這兒，堆芯模塊與內含非放冷卻劑鹽的輔助管道連接。為使安全和密封最優化，這種冷卻劑鹽用于惰性、低壓的“中間”回路，在臨界的反應堆回路與蒸汽發電回路之間循環。取決于要求的用途，提供動力的蒸汽回路是傳統的、現成的發電和/或工業蒸汽生產的汽輪機。換言之，部分或全部熱熔鹽可直接用于工藝供熱。

圖3: IMSR堆芯模塊化設計

核燃料與燃料循環

作為液態燃料的反應堆，堆芯沒有燃料“元件”。燃料可由低濃縮鈾氟化物、钚氟化物、釷氟化物或它們的任何混合物構成。IMSR40型的首堆將利用“一次通過”式、低濃縮鈾燃料循環，因為這是最簡單的選擇。這種燃料鹽用冷卻劑鹽稀釋，包括的氟化物如氟化鈉、氟化鈹和/或氟化鋰。這種混合物同時構成燃料和主冷卻劑。這種燃料-冷卻劑的混合物，經臨界的石墨慢化（熱譜）堆芯、然后通過熱交換器，構成一個完整的循環，把它的熱能傳輸給第二冷卻劑鹽回路。后者充稀釋的基本鹽(不加燃料鹽)，依次再熱量傳輸給另一中間鹽回路。第二個中間鹽回路或稱“第三回路”，通過在主回路冷卻劑總放射性與汽輪機之間增加另一屏障，提高安全。此“第三個回路”使用硝酸鹽，熔點低(避免蒸汽發生器凍結)，而且與蒸汽兼容(發生泄漏)。最后，硝酸鹽加熱蒸汽發生器產生蒸汽，用于工藝供熱或汽輪發電機組發電。

與此同時，IMSR可在運行中加燃料。此外，與固體燃料反應堆不同，無需在補充燃料期間排出部分“老料”。在整個帶功率運行期間，堆芯模塊的所有燃料保留在封閉的IMSR堆芯模塊內。少量額外“補充”的燃料鹽僅僅“供入”上部“氣腔”。

目前來看，ISMR還做不到閉式燃料循環，但是從官方口徑描述，由于其模塊化堆芯設計，當更好的乏燃料處理技術開發出來之后，可以“即插即用”。

安全性設計

IMSR基本設計安全方法是實現核電機組內在的、“簡單”（walk-away）安全。無需操縱員干預、電力或者外部提供動力的機械部件，確保下述最基本的安全功能：

? 控制：

常規操作下，IMSR依賴于反應性控制的內在穩定性。 這種行為被稱為負功率反饋 - 電抗器在功率輸出和溫度方面是自穩定的，并且被表征為負載跟隨電抗器。同時，作為備份，IMSR采用流動驅動的控制棒，如果泵送流量損失，則該控制棒下沉到芯中。 備用熔鹽罐的形式提供冷卻劑補充，該罐置于IMSR核心單元內部，填充有非常強的中子吸收劑，如果過熱發生，備用罐熔化導致停堆。

? 冷卻：最初有內在的熱阱吸收瞬態和衰變熱，散熱提供堆芯和密封容器長期冷卻。

IMSR使用低壓下的液體燃料，不依賴于將冷卻劑引入反應器或使反應器減壓。 IMSR制冷是被動的。熱量從核心單元連續消散。在正常操作期間，通過使用通常為固體緩沖鹽形式的可熔性絕緣體減少熱損失。將緩沖鹽放置在除了頂部之外的所有側面上包圍反應器的環形罐中。在初級鹽泵關閉時，反應堆被關閉，但是衰變熱依舊存在，從而加熱熔化緩沖鹽，以熔化潛熱吸收衰變熱，然后通過液化的緩沖鹽提供對流冷卻。在環形緩沖鹽槽的外部，是一系列充水冷卻管。這就是所謂的冷卻套。熔化的緩沖鹽將熱傳遞到夾套的自然對流冷卻劑。這使得冷卻套水蒸發。夾層包含的水可供超過7天的蒸發冷卻。核心單元在其容納倉中的整個系統的熱動力學和慣性足以吸收和分散衰變熱。

? 包容：氟鹽化學穩定，能把放射性裂變產物“綁定”在鹽內，而且沸點極高。多重工程屏障為固有的包容性提供后備。反應堆局部防御體和厚混凝土鋼屏蔽相結合，可抵御外部事件如地震、爆炸和飛機撞擊。

總體來說，IMSR安全哲學是，首先消除推動放射性物質進入環境的驅動因素。特別是反應堆總是低壓運行，歸因于燃料-冷卻劑混合物的惰性、低揮發性，而且堆內沒有水或蒸汽。這種方法完全消除了反應堆系統的物理和化學儲能。IMSR用其“整合”的無管道、故障安全的系統結構，進一步增強基于物理的、高水平的、內在的安全。

IMSR不依賴反應堆降壓或促使冷卻劑進入堆內。所有必需的控制和散熱功能已經到位—就在IMSR堆芯模塊內和周圍。因此，IMSR完全消除了對支持系統、閥門、泵、和操縱員干預的任何依賴。短期和長期都這樣。IMSR設計師把熔鹽堆技術、一體化反應堆設計和獨特的冷卻系統結合起來，使這一切成為可能。

圖4: IMSR電廠布局

總體來說，IMSR是美國橡樹嶺國家實驗室60-70年代運行的DMSR裝置的“翻版”或放大版，雖然并不“完美”，但具有第四代核能系統所有最根本的特征，代表核安全、核廢物、核擴散和成本競爭力方面的革命。尤其是它固有的運行靈活性，可以彌補非傳統可再生能源（風能和太陽能）的不足。時間軸來說，TE官方計劃在2020年之后幾年內獲得許可文件并將在加拿大建設首堆，這么看來應該是目前來說是離我們最近的可商用布局“四代減堆型”。讓我們拭目以待吧！