SSR-U型熔鹽熱譜堆更安全、更清潔、更便宜

圖1. 藝術(shù)家印象中32個(gè)模塊堆陣列(512 MWe)、GridReserve©和汽輪發(fā)電機(jī)廠房，

整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)裝機(jī)總量1.536 GWe的核電廠。

Moltex能源公司原首席商務(wù)官西蒙·牛頓(Simon Newton)曾說(shuō)，這個(gè)公司的穩(wěn)定熔鹽堆將開(kāi)創(chuàng)清潔、低成本能源的新時(shí)代[1]。

Moltex公司的英國(guó)科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)專注于提供既清潔又負(fù)擔(dān)得起的能源，以應(yīng)對(duì)氣候變化這個(gè)復(fù)雜的挑戰(zhàn)。這個(gè)公司的答案很簡(jiǎn)單：Moltex設(shè)計(jì)了一種利用材料天然特性的核反應(yīng)堆，使核反應(yīng)以可控和安全的方式發(fā)生。反應(yīng)堆設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)材料，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，實(shí)質(zhì)上是安全的。它易于建造、安裝和運(yùn)行，因此成本低于煤炭、石油或天然氣。

穩(wěn)定熔鹽鈾燃料反應(yīng)堆(SSR-U)是一種熔鹽堆，熱譜運(yùn)行，燃料中用的是低濃縮鈾(6%)。每個(gè)反應(yīng)堆產(chǎn)生40 MW熱能。足以為大型城鎮(zhèn)提供電力，反應(yīng)堆可以在不大的小場(chǎng)地上成排部署，以滿足城市中心不斷增長(zhǎng)的能源需求。與傳統(tǒng)反應(yīng)堆不同的是，SSR-U的出力“可調(diào)度”，意味著可以補(bǔ)充間歇性可再生能源的不足，而這通常由化石燃料承擔(dān)。

SSR-U產(chǎn)生750℃的熱能，還可取代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的化石燃料，通過(guò)高溫電解生產(chǎn)清潔、低成本的氫氣。

SSR-U核島簡(jiǎn)況

SSR-U型反應(yīng)堆是熱譜堆，但在概念、結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)方面，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)都不相同，也與2018年提供IAEA的設(shè)計(jì)描述有很大差別[2]。

SSR-U的核燃料和主冷卻劑都是熔鹽。熔鹽核燃料類似傳統(tǒng)反應(yīng)堆的固態(tài)燃料芯塊，裝在組件的細(xì)鋼管內(nèi);每根細(xì)鋼管插在石墨基質(zhì)慢化劑的單獨(dú)孔道內(nèi)，形成反應(yīng)堆堆芯。堆芯和主熱交換器裝在充滿主冷卻劑的反應(yīng)堆箱體容器內(nèi)。這個(gè)容器放置于地下混凝土井內(nèi)，上面覆蓋著混凝土屏蔽塊。

圖2. SSR-U反應(yīng)堆核島廠房結(jié)構(gòu)

最初裝載的核燃料在堆內(nèi)停留20年(反應(yīng)堆預(yù)期壽命60年，有兩次換料)。通過(guò)細(xì)鋼管內(nèi)的熔鹽燃料和管外的主冷卻劑熔鹽自然對(duì)流循環(huán)，把核燃料產(chǎn)生的熱量傳輸出堆芯。如果這一過(guò)程因任何原因停止，堆芯溫度將會(huì)上升，像任何核反應(yīng)堆一樣，反應(yīng)性將會(huì)下降。與傳統(tǒng)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)不同的是，SSR-U不需要能動(dòng)的系統(tǒng)或泵排出堆芯熱能或停堆。

其他的熔鹽堆設(shè)計(jì)，鹽既充當(dāng)燃料又充當(dāng)冷卻劑，始終靠泵迫使主冷卻劑貫穿整個(gè)系統(tǒng)，腐蝕是個(gè)嚴(yán)重挑戰(zhàn)。Moltex設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于，燃料鹽與冷卻劑鹽是分離的，可以根據(jù)各自的職能任務(wù)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)每種鹽使用不同的氧化還原控制機(jī)制，Moltex可以克服這些難題，甚至可使用標(biāo)準(zhǔn)鋼材建造反應(yīng)堆。

Moltex位于沃靈頓(Warrington)的實(shí)驗(yàn)室擁有一支20名物理學(xué)家、化學(xué)家、冶金學(xué)家和工程師組成的團(tuán)隊(duì)，致力于輔助研發(fā)工作。他們正在驗(yàn)證用于SSR-U熔鹽的腐蝕性能。

SSR-U的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，核島主系統(tǒng)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，固有的安全特性導(dǎo)致基建成本較低。除了每隔20年給每個(gè)反應(yīng)堆裝/卸核燃料外，運(yùn)營(yíng)商幾乎不需要做任何事情，這使得運(yùn)行成本非常低。

SSR-U的用途

從單臺(tái)到大量模塊的核電廠，這種核電裝置能對(duì)經(jīng)濟(jì)的各方面“脫碳”做出貢獻(xiàn)：

▲聯(lián)網(wǎng)、離網(wǎng)提供清潔電力;

▲制氫，直接用作燃料或燃料電池的燃料;

▲為能源行業(yè)提供低碳排放的熱能;

▲特殊應(yīng)用，如海航推進(jìn)和海水淡化。

能源生產(chǎn)是全球最大的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。到2100年，全球人口可能達(dá)到110億，國(guó)際社會(huì)面臨既要減少化石燃料使用，又要支持經(jīng)濟(jì)發(fā)展宏圖的兩難困境。

應(yīng)對(duì)這兩個(gè)挑戰(zhàn)的唯一途徑是開(kāi)發(fā)更清潔的能源，因此SSR-U的潛力巨大。它成本低、配置數(shù)量可擴(kuò)展，而且溫度高，同時(shí)適用于發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家，適應(yīng)性廣泛。

SSR-U的下一目標(biāo)

Moltex公司開(kāi)發(fā)SSR-U的活動(dòng)仍在繼續(xù)。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)公開(kāi)，還在英國(guó)本土設(shè)立MoltexFLEX公司專事輔助研發(fā)，并負(fù)責(zé)尋求頒發(fā)許可、建造第一批機(jī)組的管轄過(guò)程[3]。

英國(guó)政府“更新”的能源戰(zhàn)略，表明它在重新關(guān)注核能，希望到2050年裝機(jī)總量達(dá)到25 GW或更多。Moltex希望充分利用這種新的熱情，但所需的支持不是財(cái)務(wù)方面：這是個(gè)小型堆，可輕易獲得私人資本的支持。

MoltexFLEX公司需要英國(guó)政府提供與監(jiān)管機(jī)構(gòu)接觸的渠道、合適的廠址，以及與項(xiàng)目成本和工程進(jìn)度相協(xié)調(diào)的取照和協(xié)調(diào)爭(zhēng)議的監(jiān)管規(guī)范。有適當(dāng)?shù)闹С?，就有可能在這十年期末(計(jì)劃在2029年前)建成首個(gè)反應(yīng)堆，在30年代中期部署一個(gè)“堆群”。

見(jiàn)解與思考

英國(guó)Moltex能源公司開(kāi)發(fā)的穩(wěn)定熔鹽堆(Stable Salt Reactor, SSR)，與世界各地正在開(kāi)發(fā)的所有其他熔鹽堆有本質(zhì)區(qū)別，但其燃料組件與現(xiàn)代、傳統(tǒng)的水冷堆類似：強(qiáng)放射性的熔鹽燃料限制在燃料細(xì)棒內(nèi)，由另外的獨(dú)立、非放射性的冷卻劑將熱能從反應(yīng)堆堆芯傳輸給主熱交換器。

SSR在任何可能的情況下，都可用核工業(yè)驗(yàn)證過(guò)、成熟的材料和技術(shù)，消除大量研究項(xiàng)目的需要，使安全和設(shè)計(jì)驗(yàn)證更容易、更快速。

SSR-U型熱譜堆設(shè)計(jì)有重大改變。從9月29日起，由其子公司MoltexFLEX負(fù)責(zé)，改稱FLEX型反應(yīng)堆。目標(biāo)是，迅速把FLEX型反應(yīng)堆推向市場(chǎng)，迅速在全球部署這種“堆群”[4]。

圖3. SSR燃料細(xì)棒與排氣口(左)，SSR熱傳輸回路(中)

與GridReserve©支持的間歇性可再生能源(右)示意圖[5]。

FLEX反應(yīng)堆設(shè)計(jì)擴(kuò)大了“固有安全”理念，堆芯是熱工流體“自然循環(huán)”、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的低壓系統(tǒng);規(guī)模只是傳統(tǒng)核能的“核島”部分，與核監(jiān)管相關(guān)的設(shè)施少;主冷卻劑出口溫度高達(dá)750℃，有潛力提高能源轉(zhuǎn)換效率，大大降低基建和運(yùn)營(yíng)成本;與電網(wǎng)儲(chǔ)備(Grid Reserve)耦合，成為外網(wǎng)可調(diào)度、輔助間歇性可再生能源系統(tǒng)的“調(diào)峰”容量。

SSR-U型熱譜堆設(shè)計(jì)成就“靚麗”，值得關(guān)注：

▲熱譜，石墨慢化劑，初裝核燃料濃縮度僅6%，但換料周期20年;

▲僅靠主熱交換器——二次熱交換器“位差”，實(shí)現(xiàn)“核島”回路系統(tǒng)熱傳輸;

▲核島設(shè)計(jì)與電網(wǎng)儲(chǔ)備設(shè)施耦合，可使電廠調(diào)峰能力擴(kuò)大3倍;

▲24個(gè)月建成500MWe的電廠，發(fā)電成本40英鎊/MWh。

在當(dāng)前世界氣候危機(jī)加劇、國(guó)際與國(guó)內(nèi)能源轉(zhuǎn)型窘途中，調(diào)集科技人才，開(kāi)發(fā)MSR，特別是SSR，是急迫，但有基礎(chǔ)也可能獲得突破的新能源技術(shù)……

資料與注釋

[1] Simon Newton, The future is safer, cleaner, cheaper nuclear energy, www.the-eic.com energyfocus 37，22-06.

[2] 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.

[3] WNN, MoltexFLEX launches flexibly-operated molten salt reactor, 29 September 2022.

[4] The Engineer, MoltexFLEX to launch new UK nuclear reactor, 29 September 2022.

David Dalton, UK Company Unveils FLEX Nuclear Plant And Aims For 2029 Operation, NucNet, 30 September.

[5] Moltex Energy, An Introduction to the Moltex Energy Technology Portfolio, January 2018.