FLEX型穩(wěn)定熔鹽熱譜堆概述

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圖1:藝術(shù)家印象中32個(gè)FLEX型安穩(wěn)熔鹽熱譜堆模塊陣列(512 MWe)+GridReserve©+汽輪發(fā)電機(jī)廠房，

整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)“可調(diào)度”裝機(jī)總量1.536 GWe。

1.核心技能

FLEX型安穩(wěn)熔鹽堆(SSR)是Moltex動(dòng)力公司全球?qū)＠卜€(wěn)熔鹽堆技能的熱譜(慢化)版，與其姊妹公司Moltex Energy Canada同享這種技能。后者正在開(kāi)發(fā)快譜版的安穩(wěn)熔鹽堆。

SSR與世界各地正在開(kāi)發(fā)的全部其他熔鹽堆(MSR)有本質(zhì)區(qū)別。由于它們與傳統(tǒng)反響堆的燃料組件類(lèi)似，把強(qiáng)放射性的燃料鹽限制在燃料細(xì)棒內(nèi)。獨(dú)立的、非放射性的熔鹽冷卻劑把熱能從反響堆堆芯傳輸給主熱交換器。

在其他MSR內(nèi)，核燃料鹽也是冷卻劑。復(fù)雜的燃料鹽循環(huán)體系，包括泵、過(guò)濾器、調(diào)理設(shè)備和熱交換器，與強(qiáng)放射性的核燃料鹽觸摸，對(duì)這些部件提出了嚴(yán)峻的要求，使監(jiān)控和維護(hù)非常有應(yīng)戰(zhàn)性。圖2說(shuō)明MSR類(lèi)型之間的關(guān)鍵區(qū)別。

圖2:傳統(tǒng)熔鹽堆與安穩(wěn)熔鹽堆的差異

2.規(guī)劃理念

簡(jiǎn)略

FLEX型SSR在規(guī)劃時(shí)著重簡(jiǎn)略性。它是小型和模塊化的，允許大多數(shù)部件在專(zhuān)業(yè)制造廠生產(chǎn)，便于運(yùn)輸，減少現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)，縮短工期。全部這些都最大極限地降低了總本錢(qián)。FLEX型SSR在任何或許的情況下，運(yùn)用已經(jīng)在核工業(yè)中得到驗(yàn)證的、老練的材料和技能，消除許多研討項(xiàng)目的需求，使安全和規(guī)劃驗(yàn)證更快、更簡(jiǎn)單。MoltexFLEX公司的方針是，讓清潔動(dòng)力比化石燃料更廉價(jià)，迅速把FLEX反響堆推向市場(chǎng)，盡早在全球部署這種“堆群”。

低本錢(qián)

傳統(tǒng)核電機(jī)組的制作和運(yùn)營(yíng)本錢(qián)已變得越來(lái)越貴重，首要由于需求安全辦理體系和程序的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，F(xiàn)LEX反響堆是“固有安全”的。選用低壓體系，大大降低了安全密封的本錢(qián)。它的運(yùn)轉(zhuǎn)安全是由“固有”(Inherently)和“非能動(dòng)”(Passive)[3]安全體系供應(yīng)的，大大降低了基建和運(yùn)轉(zhuǎn)本錢(qián)。FLEX反響堆的規(guī)模僅僅傳統(tǒng)核電站的一小部分，其規(guī)劃本錢(qián)與焚燒化石燃料適當(dāng)。此外，F(xiàn)LEX反響堆的出口溫度高，有潛力進(jìn)步動(dòng)力轉(zhuǎn)化效率。

輔佐可再生動(dòng)力

FLEX反響堆的特征是對(duì)需求改變呼應(yīng)速度快，支撐間歇性可再生動(dòng)力的能力強(qiáng)。FLEX反響堆的規(guī)劃目的便是供應(yīng)可調(diào)度電力，解決可再生動(dòng)力供應(yīng)間歇性難題。由于技能和經(jīng)濟(jì)原因，傳統(tǒng)的二/三代核電機(jī)組不適宜供應(yīng)這種靈活性，由此發(fā)生的供應(yīng)缺口通常由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組填補(bǔ)。

FLEX反響堆輸出溫度高，可用GridReserve©[4]體系，運(yùn)用熔鹽(已用于太陽(yáng)能行業(yè))儲(chǔ)熱幾小時(shí)或幾天，進(jìn)步本錢(qián)效益。外部需求超越供應(yīng)時(shí)，可當(dāng)即開(kāi)釋貯存的熱能。

許多可再生動(dòng)力長(zhǎng)期發(fā)電期間，F(xiàn)LEX反響堆只需非能動(dòng)地處于“空載”模式，發(fā)生的熱能恰好使反響堆堅(jiān)持運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。這種反響堆規(guī)劃，基建本錢(qián)低，使之經(jīng)濟(jì)可行。

固有安全

FLEX公司的安全理念是，憑仗這種技能的根本特性，要點(diǎn)在于減少或消除多重的嚴(yán)峻損害，并與各種非能動(dòng)安全措施一起管控剩下的風(fēng)險(xiǎn)。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，F(xiàn)LEX反響堆不需求任何“能動(dòng)”措施堅(jiān)持核安全。與其他反響堆技能比較，這種辦法有很大的安全優(yōu)勢(shì)，由于后者高度依靠能動(dòng)的安全體系處于正常后備、維護(hù)并堅(jiān)持運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

FLEX反響堆概念規(guī)劃排除了許多損害，消除了各種風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)需增加工程解決方案，予以控制或緩解。因而FLEX反響堆靠規(guī)劃保證根本安全。

多用途的熱能

FLEX反響堆出口熔鹽冷卻劑溫度高達(dá)750°C，可直接用于聯(lián)網(wǎng)和離網(wǎng)發(fā)電，也可有以下其他運(yùn)用，包括：

•工業(yè)進(jìn)程或區(qū)域供暖的直接輸入熱源(歐洲工業(yè)運(yùn)用的全部熱能溫度，2/3低于700°C)。

•高溫電解熱源，合理高效的清潔制氫氣;也支撐更有用的熱化學(xué)制氫，而且氫本身就可用作：

o工業(yè)上天然氣的直接替代品

o重型卡車(chē)的燃料電池

o合成燃料的質(zhì)料，包括航運(yùn)中燃油替代品的氨

•海水淡化設(shè)備的動(dòng)力。

此外，還可把FLEX反響堆用于海航業(yè)，首要是船只推動(dòng)。

3.FLEX型反響堆的現(xiàn)場(chǎng)裝備

典型的現(xiàn)場(chǎng)可包括任何數(shù)量模塊化的FLEX反響堆裝備。每個(gè)堆熱功率為40 MW，適當(dāng)于16 MWe。例如，16個(gè)機(jī)組的陣列可與GridReserve©儲(chǔ)熱設(shè)備耦合，在每天網(wǎng)絡(luò)(電/熱網(wǎng))最艱難的8小時(shí)期間供應(yīng)768 MWe的熱能。

FLEX反響堆的熱輸出，經(jīng)過(guò)管道體系內(nèi)的熔鹽傳輸給核島外側(cè)的GridReserve©儲(chǔ)罐。貯存的熔鹽可用來(lái)發(fā)生超熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的汽輪機(jī)發(fā)電。這是或許的裝備，由于與傳統(tǒng)的反響堆規(guī)劃比較，F(xiàn)LEX反響堆的安全性與儲(chǔ)熱和發(fā)電機(jī)組供應(yīng)的“熱阱”是徹底別離的。衰變散熱體系是徹底“非能動(dòng)”的，運(yùn)用“天然對(duì)流”，無(wú)需“機(jī)動(dòng)”部件。此外，由于不需求與安全相關(guān)的干涉和維護(hù)，典型FLEX型反響堆廠址的接入點(diǎn)數(shù)量比傳統(tǒng)核電站更少，減少了核安全保證的風(fēng)險(xiǎn)。

4.反響堆

FLEX型反響堆在概念、結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)方面，與傳統(tǒng)的熔鹽堆規(guī)劃有許多不同。兩者的燃料和主冷卻劑都是熔鹽，經(jīng)過(guò)細(xì)心挑選熔鹽的化學(xué)成分，控制腐蝕，避免氧化和浸析。但FLEX反響堆的燃料鹽裝細(xì)鋼管內(nèi)，每根細(xì)鋼管插入獨(dú)自的石墨基質(zhì)慢化劑孔道中，構(gòu)成反響堆堆芯。堆芯坐落在充溢主冷卻劑熔鹽的反響堆箱型容器內(nèi)。反響堆箱型容器置于地下混凝土井內(nèi)，上有混凝土防護(hù)塊覆蓋。

初裝入堆的核燃料運(yùn)轉(zhuǎn)16-25年，或許還有兩次換料，使反響堆總壽數(shù)長(zhǎng)達(dá)75年。正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，核燃料發(fā)生的熱能，經(jīng)過(guò)充溢反響堆箱型容器的主冷卻劑熔鹽天然對(duì)流循環(huán)，從堆芯傳輸出去。剩下的衰變熱，經(jīng)過(guò)反響堆箱體周?chē)目諝馓烊谎h(huán)，接連排出。這些非能動(dòng)的熱傳輸機(jī)制，保證不需求能動(dòng)體系或泵，就能排出熱能或停關(guān)閉反響堆。

圖3：FLEX反響堆剖視圖

5.核燃料

反響堆堆芯由石墨砌體中的核燃料細(xì)棒陣列組成，而石墨塊占有箱體容器的大部分。每根燃料細(xì)棒插在獨(dú)自的石墨砌塊孔道中，熔鹽主冷卻劑就在燃料細(xì)棒與石墨孔道間流過(guò)。

燃料鹽

FLEX反響堆的核燃料是液態(tài)低濃縮鈾(濃縮度6%)氟化物鹽，裝在專(zhuān)利的、帶排氣的燃料細(xì)管內(nèi)。熔鹽燃料經(jīng)過(guò)天然對(duì)流在燃料管內(nèi)循環(huán)，有利于熱量經(jīng)過(guò)管壁傳遞給細(xì)管外圍的熔鹽冷卻劑。燃料鹽的化學(xué)性能是經(jīng)過(guò)鈾氧化態(tài)組合安穩(wěn)氧化復(fù)原的，在與氟化鈉稀釋劑共晶混合物中充當(dāng)氧化復(fù)原緩沖劑，能堅(jiān)持氧化復(fù)原電位，中和整個(gè)反響堆壽期內(nèi)發(fā)生的潛在腐蝕性的裂變產(chǎn)品。

核燃料鹽不與周邊的石墨觸摸，也不需求強(qiáng)制從反響堆堆芯進(jìn)入熱交換器。

燃料鹽一直與冷卻劑鹽堅(jiān)持別離。冷卻劑鹽是另一種氟化物鹽，用來(lái)傳輸反響堆發(fā)生的熱能。但是，它們有或許互熔，并從根本上改動(dòng)堆芯損害的效應(yīng)。在傳統(tǒng)反響堆內(nèi)，堆芯損壞導(dǎo)致反響堆進(jìn)入非常風(fēng)險(xiǎn)的狀況。但在FLEX反響堆內(nèi)，即便嚴(yán)峻的堆芯損壞，仍然會(huì)使反響堆轉(zhuǎn)入安全狀況。例如，核燃料細(xì)管的缺陷會(huì)引起管壁破裂，由于燃料鹽將稀釋在大體積的冷卻劑熔鹽內(nèi)，導(dǎo)致堆芯反響性降低。因而，堆芯損壞不會(huì)增加核電站作業(yè)人員或周邊大眾受到照耀的或許性。

圖4：堆芯石墨砌體與和燃料細(xì)棒

裂變氣體排出

在FLEX反響堆內(nèi)，大部分裂變產(chǎn)品當(dāng)即被捕獲，成為不蒸發(fā)的鹽，并保留在燃料細(xì)管內(nèi)的燃料鹽內(nèi)。蒸發(fā)性的裂變氣體沒(méi)有當(dāng)即被燃料鹽捕獲，會(huì)經(jīng)過(guò)一系列氣泡捕集器，壽數(shù)較短的放射性同位素會(huì)在捕集器內(nèi)衰變，它們的衰變產(chǎn)品會(huì)困在燃料鹽內(nèi)。最風(fēng)險(xiǎn)的放射性裂變氣體(氙-137衰變?yōu)橛泻Φ匿C-137)，簡(jiǎn)直徹底包括在氣泡捕集器內(nèi)。

氣泡器內(nèi)呈現(xiàn)的首要放射性氣體是氪-85。在反響堆換料周期內(nèi)，這些氣體會(huì)積累在反響堆氣體空間。由于它的半衰期為10年，停役時(shí)許多仍會(huì)存在。由于是惰性氣體，沒(méi)有生物積累，一般的做法是把氪-85稀釋到微不足道的濃度，排入大氣。

但是，MoltexFLEX公司更傾向于捕獲并貯存這種氣體，直到簡(jiǎn)直徹底衰變，大概需求50年。

圖5：核燃料細(xì)棒組件

6.非能動(dòng)控制體系

換料后，堆內(nèi)后備反響性過(guò)大，要當(dāng)即憑借另外的中子吸收劑“中和”。這種吸收劑可熔于熔鹽冷卻劑，并經(jīng)過(guò)定時(shí)注入體系增加到主冷卻劑內(nèi)。這種中子吸收劑焚燒得很慢，要每隔幾周或幾個(gè)月補(bǔ)充一次。

為呼應(yīng)電力需求的改變，憑借類(lèi)似于普通水銀溫度計(jì)、內(nèi)充液態(tài)中子吸收劑的新穎專(zhuān)利機(jī)制，供應(yīng)反響性改變的精密控制。冷卻劑溫度上升，這種機(jī)制會(huì)非能動(dòng)地降低堆芯反響性，使反響堆能在不需求運(yùn)轉(zhuǎn)人員任何干涉的情況下，安全地呼應(yīng)反響堆傳輸給熱交換器熱量的改變。

7.余熱排出體系

核燃料細(xì)管便于燃料鹽與外圍冷卻劑鹽之間熱傳遞，冷卻劑鹽作業(yè)溫度高達(dá)770°C。加熱時(shí)，經(jīng)過(guò)石墨砌體通道，天然對(duì)流上升到反響堆頂部。熱的主冷卻劑進(jìn)入熱交換器，冷卻后返回堆芯底部，徹底靠非能動(dòng)地“天然對(duì)流”。

FLEX反響堆的高溫輸出，可與GridReserve©相結(jié)合。GridReserve©便是個(gè)儲(chǔ)熱體系，把反響堆輸出的熱能貯存在大型熔鹽罐內(nèi)。這些鹽以后可用來(lái)發(fā)生蒸汽，從而經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備，按照正常工業(yè)安全規(guī)范發(fā)電。每天電力需求高時(shí)，GridReserve©可使發(fā)電設(shè)備輸出反響堆額定功率幾倍的電力。

這個(gè)體系的眾多長(zhǎng)處之一是，貯存熔鹽的流動(dòng)無(wú)需反響堆操縱員控制。由于反響堆非能動(dòng)地調(diào)理出力，發(fā)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)人員不必?fù)?dān)心改動(dòng)或中止發(fā)電設(shè)備，對(duì)核反響堆運(yùn)轉(zhuǎn)有什么影響。

冷卻劑鹽

傳統(tǒng)核反響堆運(yùn)用的冷卻劑存在嚴(yán)峻的安全隱患。例如，因部件故障壓力下降，水可“閃蒸”成蒸汽。用鈉作冷卻劑的規(guī)劃曾引起火災(zāi)。任何高壓氣冷堆必須有安全體系，以管控壓力鴻溝呈現(xiàn)破口，從而導(dǎo)致堆芯失冷的結(jié)果。因而，從現(xiàn)有反響堆學(xué)到的首要經(jīng)驗(yàn)是，運(yùn)用化學(xué)和物理上安穩(wěn)的常壓冷卻劑，如熔鹽。

FLEX反響堆運(yùn)用專(zhuān)利的鋁氟化物和鈉氟化物共晶混合物作為主冷卻劑。類(lèi)似的鹽混合物已在鋁冶煉行業(yè)用了幾十年，堅(jiān)信它與石墨慢化劑沒(méi)有相互作用。

熔鹽對(duì)金屬的腐蝕是業(yè)界長(zhǎng)期存在的難題。在冷卻劑鹽內(nèi)熔入少數(shù)的鋁，鏟除任何或許泄入堆內(nèi)的氧氣，可防腐蝕。

剩下發(fā)熱

非能動(dòng)排出余熱體系(RHRS)接連運(yùn)轉(zhuǎn)，排出的熱量占反響堆額定功率的0.5%。為完成體系徹底“非能動(dòng)”，值得接受這點(diǎn)丟失。它運(yùn)用空氣天然對(duì)流，冷卻反響堆箱體外層的底部、兩側(cè)和頂部。部分溫度限制在300~400°C。反響堆箱體外側(cè)與堆坑壁之間的空間，分為內(nèi)部和外部風(fēng)管，作為冷空氣發(fā)生的進(jìn)、出口。然后，空氣排入反響堆廠房(見(jiàn)圖6)。

圖6：余熱排出體系

假如反響堆額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)徹底中止“散熱”，最初的高衰變熱會(huì)使反響堆升溫，比正常運(yùn)轉(zhuǎn)溫度高約50°C。爾后，經(jīng)過(guò)RHRS接連排出0.5%的額定熱能，直到溫度足夠低，相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下降的反響性溫度，足以重返臨界狀況。之后反響堆安穩(wěn)在滿(mǎn)功率的0.5%，直到電廠運(yùn)營(yíng)者需求更多的熱量停止。

見(jiàn)地與思考

安穩(wěn)熔鹽堆(SSR)是英國(guó)化學(xué)家、Moltex動(dòng)力公司董事會(huì)主席伊恩·斯科特(Ian Scott)的創(chuàng)造，方針是“讓清潔動(dòng)力比化石燃料更廉價(jià)”。SSR有熔鹽堆的全部?jī)?yōu)勢(shì)，是典型的先進(jìn)堆;但把熔鹽燃料的發(fā)熱與冷卻功用“別離”，僅用來(lái)替代水冷堆燃料組件的固態(tài)燃料芯塊，避開(kāi)了熔鹽堆最棘手的應(yīng)戰(zhàn)，看起來(lái)就像傳統(tǒng)水冷堆(PWR、BWR)那么熟悉……

FLEX型安穩(wěn)熔鹽堆是Moltex動(dòng)力公司安穩(wěn)熔鹽熱譜堆(SSR-U)規(guī)劃[5]的簡(jiǎn)化和改善。它簡(jiǎn)化到極致，只剩下“核島”部分，僅靠固有、非能動(dòng)規(guī)劃體系“天然循環(huán)”運(yùn)轉(zhuǎn)。凡有或許發(fā)生放射性反常的體系，均無(wú)“運(yùn)動(dòng)”部件;與核控制區(qū)外的儲(chǔ)熱與慣例發(fā)電部分“耦合”，致使整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)成為比規(guī)劃核容量高數(shù)倍、可調(diào)度的“儲(chǔ)能”設(shè)備。

FLEX型SSR有幾個(gè)專(zhuān)利規(guī)劃，還沒(méi)有給出詳細(xì)的規(guī)劃參數(shù)。但幾個(gè)參數(shù)令人印象深刻：

—初裝核燃料為低濃鈾(6%)氟化物鹽，簡(jiǎn)直與傳統(tǒng)輕水堆的核燃料濃縮度相同;

—換料周期20-25年，電廠壽數(shù)75年;

—石墨慢化劑;

—可供應(yīng)750℃的熱能;

—募集私有資金制作，不靠國(guó)家贊助

……

在國(guó)際上，水冷PWR/BWR小型模塊式反響堆(SMR)，NRC已給NuScale和BWRX-300型規(guī)劃頒布答應(yīng)，第四代核能和先進(jìn)SMR開(kāi)發(fā)已會(huì)集在高溫冶金后處理工藝和熔鹽堆，再花費(fèi)時(shí)刻和資源開(kāi)發(fā)其他類(lèi)型的先進(jìn)堆，價(jià)值不高。研討、開(kāi)發(fā)SSR型熱譜和快譜堆是開(kāi)展先進(jìn)SMR的捷徑，值得組織核能界深入探討、研討。

資料與注釋

[1]MoltexFLEX,New UK nuclear reactor offers lifeline amid energy crisis,September 29,2022.

[2]MoltexFLEX,The FLEX reactor:A technical description,September 2022.

[3]固有安全，inherently safe：依托物質(zhì)/物體固有賦性等天然規(guī)律保證安全，如水往低處流，冷熱空氣對(duì)流……

非能動(dòng)安全，passive safety：毋需依靠外部輸入而執(zhí)行功用的;其功用的執(zhí)行是在感受到某種參數(shù)，如壓力、溫度、流量的改變后完成的;基于不可逆動(dòng)作或改變又非?？煽康模矊俅祟?lèi)。

[4]GridReserve©，Moltexn動(dòng)力公司規(guī)劃的電(熱)網(wǎng)儲(chǔ)能設(shè)備，特指熔鹽(太陽(yáng)鹽)儲(chǔ)熱罐及隸屬的管網(wǎng)設(shè)備(泵、閥等)。

[5]IAEA,Advances in Small Modular Reactor Technology Developments:A Supplement to:IAEA Advanced Reactors Information System(ARIS)p.221-224,Stable Salt Reactor–Thermal Spectrum(Moltex Energy,UK),2018 Edition.