馬圖斯·佩特(Mateusz Pater)、埃斯本·布林特·克林比(Esben Bryndt Klinkby)和丹尼爾·庫珀(Daniel Cooper)，2022年初在《國際核工程》網站介紹了丹麥西博格技術公司開發的小型熔鹽堆(CMSR)。這是個鈾基氟化物熔鹽做燃料和主冷卻劑的熱譜堆，顯著特點是提議用氫氧化鈉鹽做慢化劑[1]。

圖1. 兩個、四個和六個CMSR的動力駁船效果圖

西博格技術公司(Seaborg Technologies)[2]是丹麥的一家公司，正在開發先進的、固有安全的下一代核反應堆，稱為小型熔鹽堆(Compact Molten Salt Reactor, CMSR)。

西博格公司的使命是通過連續生產模塊化、浮動式動力駁船，在全球范圍內提供清潔、有成本競爭力的動力，支持能源市場不斷增長、無法完全依賴可再生能源的那些國家。

因為一個CMSR只提供100 MWe或250 MWt的動力，概念上可視為小型模塊化反應堆技術，允許快速部署，以降低資本(基建)成本，并增加選址的可能性。動力駁船設計可擴展，可以配置2～8個運行的CMSR，提供高達800 MWe或2000 MWt動力。

西博格技術公司的員工人數目前已近80人。2020年美國航運局(ABS)批準這種技術的可行性聲明以來[3]，員工人數一直在快速增長。隨后的融資和人數增加，大大加快了CMSR的設計工作和實驗活動。西博格公司繼續招募人才，建造新的實驗設施，以實現2026年開始商業運營CMSR模塊雄心勃勃的計劃。

小型熔鹽堆設計

自2020年以來，西博格公司一直致力于CMSR概念設計，一旦完成，通過原型堆測試，將構成成熟級的技術。

CMSR是熱譜堆，鈾基燃料也作為主冷卻劑。這個堆的顯著特點是使用專利的液態慢化劑，即氫氧化鈉熔鹽(NaOH)。使用氫氧化物熔鹽，與先進材料和腐蝕控制方法相結合，可使單個CMSR的使用壽期達到12年。

CMSR由幾個系統及其各自的子系統組成。CMSR的核心部件、發生鏈式反應之處是反應堆堆芯，靠反應堆堆芯容器封裝。氟化物燃料熔鹽通過堆芯一系列燃料細管循環。這些燃料細管把燃料鹽與熔態氫氧化鈉慢化劑分開。燃料鹽回路的關鍵部件是化學控制單元，它既控制鹽的腐蝕性，又提取裂變產生的惰性氣體。燃料鹽靠泵壓入一次熱交換器，把熱量傳遞給二次鹽，再通過蒸汽發生器將熱量傳遞給高壓水，產生的蒸汽驅動傳統渦輪機發電。CMSR的熱能還可直接用于發電以外的其他用途，如生產合成燃料。

圖2. CMSR主回路及周邊系統的簡化模型

西博格公司的設計盡可能依靠固有安全。CMSR是“簡易”(walk-away)安全的，因為除了其他特征，反應性溫度系數為負，放射性物質化學地保留在氟鹽中，燃料沸騰裕度大，而且連續去除氣態裂變產物。

CMSR的主要專設安全設施是位于反應堆堆芯下方的疏液箱。發生異常或事故時，泄放閥“自動”打開，燃料鹽進入專門設計的容器中，借此終止鏈式反應，降低放射性水平，并排出余熱。能動和非能動冷卻方法都可用來去除放射性衰變產生的余熱。

建造的動力駁船可容納多個動力模塊，數量取決于所需的總功率。每個動力模塊有兩個在役CMSR。前兩個反應堆是在造船廠建造動力駁船期間預裝的。動力模塊在空的反應堆艙內留有兩個CMSR的空間。經過12年的運行后，動力模塊中兩個初始CMSR燃料耗盡，反應堆關閉。那時，兩個新的CMSR運入空的堆艙，經安裝、調試，以最短的停機時間移交動力生產。因此，動力駁船的使用期延長到24年，在電廠的整個使用期內，只進行一次換料(即只更換動力模塊中的CMSR)。

圖3. 動力駁船頂視圖：一個動力模塊，兩個空艙，兩個完整的堆艙

運行24年后，動力駁船運交退役設施，動力設施現場恢復原狀。因此，CMSR退役比傳統核反應堆簡單得多。

西博格公司的長期目標是用過的燃料鹽后處理和再循環，使廢物占據的空間最少，有可能把廢物的壽命限定在300年左右。所有的廢物流都可以，并在現有的核退役框架內進行處理。核廢物是穩定的，因為它包含在氟鹽內。組成動力駁船的模塊，其建造方式只是使反應堆單元和屏蔽層有放射性。動力裝置的其余部分可以退役，就像其他任何非核的電廠一樣。

氫氧化鈉慢化劑

熔鹽堆(MSR)并不是新概念。它在20世紀50年代和60年代在美國橡樹嶺國家實驗室首次開發和研究，由此產生的熔鹽堆實驗裝置(MSRE)是多個新核反應堆公司靈感與知識的源泉，包括海運。MSRE的慢化劑是石墨。石墨可以承受MSR的極端高溫和腐蝕環境，但它在反應堆使用壽期內遭受輻照損傷。這將導致結構材料先收縮后膨脹，從而產生裂縫，最終導致失效。由于慢化劑使用壽命較短，石墨的問題主要轉化為需要大約每五年更換一次反應堆堆芯。

西博格公司采取完全不同的方法。用它的專利慢化劑即氫氧化鈉熔鹽取代石墨。其熔點和沸點與MSR使用的氟化物熔鹽兼容，最重要的是液體，不遭受輻照損傷。由于它的中子學特性，可以很好地充當慢化劑，這也使反應堆堆芯尺寸大大減少(因此這種堆是“小型”的)。

引入氫氧化鈉的另一個挑戰是腐蝕性，對此，西博格公司正在進行廣泛的實驗活動。如不加控制，高溫下的氫氧化鈉熔鹽化學性質，會使反應堆結構材料，即包含熔鹽的容器和管道發生腐蝕。即使通常用于高溫堆的鐵和鎳基合金，也很難容納未經處理的氫氧化鈉熔鹽。然而，結合最先進的材料和西博格公司的腐蝕控制方法專利，CMSR結構材料的腐蝕速率顯著降低。因此，單個CMSR的運行壽命預計為12年，優于石墨慢化的MSR。

測試活動

為確保與腐蝕性氟化物和氫氧化物熔鹽接觸的反應堆芯細管能夠承受反應堆運行的嚴酷條件，西博格公司正在進行大量的實驗，重點是掌握腐蝕控制。

有了全新、最先進的實驗室，就可在CMSR運行條件下，同時使用燃料鹽、慢化劑鹽和二次鹽，進行大量的實驗。測試活動用于材料選擇、傳感器和工藝開發、性能測量、概念、模型和需求驗證等。

他們還在設計、建造和測試自己定制的實驗設施和樣機。他們在國內和國際建立了工業界和學術界的伙伴關系，以簡化實驗驗證活動的工作。其內部工程和化學專家正在攜手開發熔鹽流回路，用于測試和驗證反應堆設計的各個方面。他們正在進行的長期測試活動，針對的是自己關鍵的知識產權(IP)，即氫氧化鈉腐蝕控制。

圖4. 西博格公司新實驗室的一部分

中子學試驗

當中子能量很高時，例如由快裂變產生的中子，與材料之間的相互作用可以很好地理解，并且可以使用蒙泰卡羅技術為所有材料精確建模。然而，CMSR依靠氫氧化鈉把中子能量降到熱態。為了準確地模擬調節，至關重要的是精確地了解中子與材料之間的相互作用，因為這些發生在原子尺度及以下的相互作用，最終決定宏觀物理量，如中子譜、能量沉積和反應性。

熱化過程本身取決于氫氧化鈉分子結構的特定性質，這一點迄今為止是未知的，因此不可能精確地模擬熱化過程。由于這些原因，已經發起一個實驗性的“戰役”，測量氫氧化鈉的中子散射特性。幾十年前，為了解傳統反應堆內基于水中慢化發生的慢化細節，就曾經對水進行了等效實驗。

由于關注的相互作用取決于靶分子的激發，而它們取決于溫度，特別是材料的“相”。為了能夠在所有可預見的情況下準確地模擬CMSR，有必要在很寬的溫度范圍內模擬中子與固態和液態氫氧化鈉的相互作用。

測量中子對氫氧化鈉的散射所需的實驗戰役從固相開始。西博格公司與瑞典隆德來的歐洲散裂源(ESS)[4]專家以及英國牛津郡的ISIS[5]中子散射專家合作，把氫氧化鈉樣品暴露在ISIS中子束下，用其VESUVIO光譜儀，在幾個溫度下，測量能量與總散射截面的相關性。然后從透射光譜中計算出總截面，目前正在進行后處理。我們的目的是一旦完成，就公開出版和分享開發的軟件庫。

CMSR正常運行期間，慢化劑將呈液態形式，在高溫下進行，因此必須使用液態樣品重復測量和建模。ISIS、ESS和Seaborg之間的合作仍在繼續，以便設計下一個實驗。

雖然仍有實驗要進行，基本數據需要收集，但西博格公司正在努力推進CMSR的設計，并在2026年將該反應堆推向市場。 

圖5. 商業化之路：CMSR項目時間表

圖6. 正在西博格公司總部展覽的第一個熔鹽回路

啟示與見解

丹麥西博格技術公司開展熔鹽堆研究較早，2018年初獲得第一筆外部資金，但到2020年才正式公開，2024年就要建成原型堆，2026年建造動力駁船式系列產品，速度之快，值得關注。跟他們競爭的是美國的500 MWe ThorCon型浮動熔鹽堆(TMSR-500)，西班牙工程公司(EA)承包，建在印尼[6]。

西博格公司的CMSR設計靈感的源泉是美國橡樹嶺國家實驗室的MSRE，但有兩大“突破”：熱譜，慢化劑改用氫氧化物鹽，化學控制防腐蝕，堆芯使用壽期12年;把CMSR做成“黑匣子”，定期更換反應堆單元，可以出售或出租，負責換料和退役。開辟這種模式，解除買方壓力，對普及世界和平利用核能是個“強心劑”。先進堆和小型模塊式反應堆(SMR)走上這條路，核能才算邁上“陽關大道”……

資料與注釋：

1 Mateusz Pater, Esben Bryndt Klinkby and Daniel Cooper, Molten salt revisited: the CMSR, NEI, 24 January 2022

2 西博格技術公司(Seaborg Technologies)，丹麥的一家公司。2014年開始在哥本哈根的一個地窖里，三個物理學家在那里釀造啤酒，由來自尼爾斯·玻爾研究所、丹麥技術大學、歐洲核子研究中心、加州大學伯克利分校、歐洲散裂源和保羅·舍勒研究所的科學家們創立，2018年初獲得第一筆外部資金。現在，它雇傭了大約80名員工，從核工程師到業務開發人員，擁有并經營著幾個實驗室，正在為下一代核反應堆建造“取證”努力工作。

3 美國航運局，American Bureau of Shipping(ABS)，成立于1862年，總部在美國德克薩斯州休斯頓市。所謂“Feasibility Statement”，詳見Seaborg Technologies，Clears First Classification Milestone for Maritime Deployment of Nuclear Power Barges with ABS Statement, PRESS RELEASE, 17/12/2020。

4 歐洲散裂源，European Spallation Source(ESS)，屬歐洲研究基礎設施聯盟(ERIC)，是世界最強大的中子源為基礎的多學科研究設施。在與材料、能源、健康和環境相關的研究方面取得科學突破，并解決這個時代一些最重要的社會挑戰。

5 ISIS，世界上凝聚態研究中最強大的脈沖中子來源，位于英國盧瑟福阿普爾頓實驗室。

6 WNN, Empresarios Agrupados contracted for first ThorCon reactor, 26 January 2022。