钍基熔盐堆（MSR）通过液态燃料设计，支持在线热化学再处理（pyroprocessing），这是实现钍 - 232（Th-232）经中子俘获、Pa-233 衰变持续产生 U-233 闭环增殖的核心技术。该方法最小化长寿命废物，同时维持增殖比（BR）大于 1，确保燃料自给自足。
核燃料转换链与 Pa-233 分离必要性
Th-232 (n,γ) Th-233 (β 衰变，半衰期 21.8 分钟)→Pa-233 (β 衰变，半衰期 26.97 天)→U-233。该链条中，Pa-233 的中子吸收截面高（约 2000 barn 热中子区），若留在堆芯易转化为不可裂变 U-234，损失增殖潜力达 10-20%。因此，在线提取 Pa-233 至关重要：设计分离延迟时间 > 30 天（覆盖 Pa-233 半衰期），让其在外衰变为 U-233 后回注堆芯。证据显示，双区 MSR（堆芯 + 外部库存）可将 BR 提升至 1.1 以上，双倍时间缩短至 36 年。
工程参数：堆芯 Pa-233 浓度阈值 <0.1 mol%（盐组成中），提取速率匹配产生率（典型 2MWth 堆约 0.1-0.5 g / 天 Pa-233）。再处理单元温度控制在 500-700℃，使用 FLiBe 盐（LiF-BeF2-ThF4-UF4），Pa 分离采用离子交换或溶剂萃取，效率目标> 99%。
在线热化学再处理流程设计
Pyroprocessing 流程：1) 氦气鼓泡移除 Xe/Kr 等惰性气体裂变产物（速率 > 90%，避免中子经济损失）；2) 还原萃取分离裂变产物（FP，如 Cs、Sr），使用 Bi-Li 还原剂，分配比 D (FP)<0.01；3) Pa-233 选择性萃取，利用 Pa 在磷酸盐或碳酸盐介质中络合，分离因子 > 100；4) 净化 Th/U 盐，回注堆芯。
可落地参数清单：
- 处理容量：与堆功率匹配，1GWe 堆需处理 10-50 L/h 燃料盐（盐流率 0.1-1% 堆芯体积 / 天）。
- 分离效率：Pa>99.5%，FP>95%，Th/U 回收 > 99.9%（避免二次废物）。
- 温度 / 压力：熔盐循环 650℃，再处理区惰性氛围（Ar），压力 < 1 atm 防挥发。
- 材料：Hastelloy-N 或 Mo 合金容器，耐腐蚀速率 <10μm / 年；石墨慢化剂寿命> 4 年（BRF<10-7 cm/s 阈值）。
- 初始燃料：启动用低浓铀（LEU 19.75%）+Th，6 年内过渡至纯 U-233 驱动。
监控要点：
- 在线采样：质谱仪测盐组成（U/Th/FP/Pa mol%），阈值警报：Pa>0.05 mol%、FP 溶解度 > 5 mol% 触发净化。
- 中子通量：堆芯 φ>10^13 n/cm²s，外部 Pa 库存区低通量 < 10^11 n/cm²s。
- 辐射场：γ 谱监测 Th-232 链（208Tl 2.6MeV 峰），剂量率 < 10 Sv/h 操作区。
- 回滚策略：异常时切换离线批处理（5 年周期），BR 降 < 1.05 但安全。
闭合循环废物最小化与风险控制
闭合循环移除 90% 长寿命锕系（无超铀主导），废物主要短寿命 FP，毒性降至铀矿级 <1000 年。相比开循环，U 利用率提升至 1.5-2.7%，Th 贡献> 80%。风险：腐蚀（盐纯度 > 99.9%，HF<10ppm）；Pa 损失（双备份萃取塔）；增殖不足（BR 监控，若 < 1.05 增 Th 负载 10%）。
实施清单：
- 验证 MSRE 历史数据：Pa 分离效率达 98%。
- 模拟工具：SaltProc+SERPENT2，预测平衡 BR>1.1。
- 原型测试：2MW 实验堆规模，连续运行 > 1 年。
- 规模化：模块化 SM-MSR（220MWe），批处理过渡在线。
该工程路径已在实验验证，确保钍 MSR 商业化可持续性。
资料来源：中国科学院上海应用物理研究所 2MW 钍基熔盐实验堆数据；ORNL MSRE 报告；Annals of Nuclear Energy 相关模拟论文（如 Rykhlevskii 等）。
（正文约 1250 字）