英國核能雜志《國際核工程》8月24日發表文章，介紹雙液流能源公司(Dual Fluid Energy)提出的燃料和冷卻循環分離的雙液流反應堆(DFR)設計，說它能徹底重塑核能系統：堆芯緊湊，功率密度最高，經簡化經濟效率比現代輕水堆(LWR)高20倍，能燃燒乏核燃料，而且固有地安全[1]。

雙液流反應堆工作原理

雙液流能源公司(Dual Fluid)正在開發新型核能技術，關鍵因素是高效率。它開發的雙液流反應堆(DFR)包含兩個循環流體，一個攜帶核燃料，另一個傳輸熱能。按照傳統堆型定義，DFR屬鉛冷堆型，但雙液流能源公司認為，它“完全重新定義了核能”，使核燃料的利用“比現代輕水堆高百倍”，液態鉛冷卻劑“1000℃的運行溫度，可用于新的熱應用工藝流程”，所以有些特殊。

圖1：雙液流反應堆(DFR)工作流程示意圖

Dual Fluid是德國的一家核技術初創企業，但于2021年在溫哥華注冊成為一家上市公司，以便更好地受益于加拿大對小型模塊式反應堆(SMR)發展的有利安排。Dual Fluid說，“加拿大政府把SMR作為一項未來的技術來推廣”，“而且大多數人認為核電是個機遇。”

此外，“加拿大與德國不同，在核技術方面經驗豐富，而且核專業知識從未間斷。”“最后但并非不重要的一點是，有個國際認可的核監管許可機構。”

LWR：不“完美”的技術

Dual Fluid認為，全世界普遍使用的輕水堆效率低下，因為只能把約1%的天然鈾轉化為電力。此外，核燃料在低溫下“燃耗”，不可能用于“有價值的高溫化學工藝”。

這種不那么“好”的技術在上世紀中期是如何戰勝已有的、更有前景設計的? Dual Fluid認為，答案是它的軍事優勢：使用“固體”燃料棒的反應堆，非常適宜給潛艇提供動力，而且可以簡單的方式為核武器提供钚，因此放棄了其他更適合民用的概念。幾十年來，仍在使用同樣的輕水堆技術，因為核燃料的能量密度高，提供的能源如此之多，即使低效的核電站也將“有利可圖”。

在沒有商用開發的早期設計中，有兩種堆型脫穎而出：一種是液體核燃料;另一種是液態鉛冷卻劑。上個世紀60年代，美國成功地運行了液體燃料的實驗性反應堆(MSR，熔鹽堆)，能更好地利用核燃料。然而，由于燃料鹽也傳輸熱能，功率密度受到限制，這兩種功能難以協調。俄羅斯在上個世紀70年代，為其潛艇艦隊建造了高性能的鉛冷快堆(LFR)，使用的是固體燃料棒，燃料供應和再循環都很困難。

雙液流概念是快堆設計，旨在以全新的設計，把熔鹽堆和鉛冷堆的優勢結合起來。關鍵的創新是在堆芯使用兩種液流。液態燃料可在約1000℃下發揮它的全部威力(典型的輕水堆，出口溫度為320℃)，而液態的鉛“專侍”熱傳輸。

DFR：功率密度高

Dual Fluid說，在核技術領域，這個原理是全新的。決定性的優勢是，系統結構緊湊，功率密度高，冷卻劑出口溫度高。

燃料流速緩慢，可以達到最佳燃耗率;冷卻劑高速循環，可以使傳熱速度最佳。因此，可以讓高濃度的液態燃料(錒系金屬元素混合物)在耐高溫、抗腐蝕的管束內緩慢流動，顯著增加堆芯內可裂變材料的數量。堆芯緊湊，所需結構材料的數量少，就可使用昂貴、耐高溫、耐腐蝕的結構材料。使用液態鉛做冷卻劑，也可不降低堆芯中子速度(能量)地傳輸熱能。

功率密度高與效率高相輔相成，額定功率300MWe的小型雙液流堆芯的效率是現代輕水堆(LWR)的8-10倍。堆芯尺寸越大，功率密度和效率越高。

因為DFR是快譜堆，運行時中子通量過剩。這種堆與核燃料再循環裝置相結合，可充分利用任何可裂變的材料，包括釷、天然鈾、貧鈾和現代反應堆卸出的“乏”(即“用過的”)核燃料。

圖2：DFR特色：功率密度高，成本低[2]

重新定義核能

Dual Fluid認為，核燃料和冷卻劑“分隔”循環的原理完全重新定義了核能。與液態核燃料再循環裝置相結合，裝入堆芯的所有核燃料都能有效地使用，無需最終“處置庫”。

雙液流原理不局限于SMR，但首次實現這個概念，最好是個SMR，額定功率約300 MWe，即DF300(見圖3)。

圖 3：300MWe型雙液流核電裝置(DF300)

在DF300型模塊化核電廠，核燃料以密封的燃料筒形式運達，經加熱呈液態泵入反應堆堆芯，換料周期長達25年;乏核燃料仍以密封的燃料筒形式運出，“再循環”處理復用。

更大的堆芯如DF1500型核電廠(1500 MWe/ 3000 MWt，見圖4)，核燃料裝載量更大，可在核電廠內附設個“乏燃料再循環裝置”，使電廠成為最簡單、完整的核燃料閉環運行系統。

圖4：DF1500型核電廠+現場乏燃料再循環結構。核燃料不斷予以處理，所有可裂變物質返回到堆內;殘余物只需儲存～300年。

DFR的核燃料再循環工藝，與傳統的、基于PUREX工藝即濕法化學后處理系統有本質的區別。在液態核燃料再循環裝置內，輕水堆的乏燃料首先轉化為液態的鹽，再用蒸餾分離各種組份。然后，所有可裂變材料與新燃料混合，返回反應堆堆芯。這在核工業內是早就確立的工藝流程[3]。

Dual Fluid認為，這種基于高溫化學蒸餾再循環的方法，能充分利用任何可裂變材料，首次實現核燃料鏈真正的循環經濟。

除發電之外，DF1500型核電廠裝機容量3000 MWt，特別適合能源密集型的熱應用，如制氫和合成燃料。現今的“綠色”制氫工藝能量損失大，強大的核熱源為高溫蒸汽電解(HTE)開辟了可能性，比目前的工藝更高效。Dual Fluid估計，HTE制氫的成本，可能比目前風力發電的綠色制氫成本低很多，與甲烷蒸汽重整制氫相比，更有成本競爭力。

能源投資回報

電廠的能源投資回報率(EROI)是在整個壽期(包括建設、運行、燃料、退役)內獲得的能量與消耗的總能量的比值，是衡量能源系統先進性的終極考核指標。

l

化石燃料發電廠的能源回報率約為30。太陽能和風能包括儲能，還都不到10。

雖然30倍的能源回報率使工業革命成為可能，足以供應今天的工業化國家，但退回到效率較低的技術等于倒退，能源將變得越來越稀缺和昂貴，可能導致生活水平下降。現代、對人類和自然友好的社會，必須努力以低成本、生態污染小的方式提供大量可靠的能源，“能量密度高的燃料可以實現這一點。”

現代輕水堆的能源回報率約為100，意味著它們的性能是化石燃料發電廠的三倍。聽起來不錯的東西，實際上意味著性能不佳，因為核裂變釋放的能量不是化石燃料燃燒過程的三倍，而是數百萬倍。

為什么今天的核能與它的潛力，差距這么大?

典型的輕水堆包含的能源消耗顯示(見圖5)，80%的能源支出用來提供和處理燃料，即鈾的開采和提煉以及燃料元件的生產、再循環和處置。這個數字太高，因為現代反應堆只能將開采的鈾中微不足道的一小部分(約1%)轉化為有用的能源。其余的大部分與裂變產物混合，要作為核廢物“處置”。

圖5：在目前低效燃料循環下，典型輕水反應堆壽期能耗

因此，今天的LWR發電，不是高收益或盈利大的系統。高昂的投資成本和監管要求，完全抵消了它與化石燃料發電廠的“比較”能源優勢。總的來說，核裂變的潛力大部分沒有得到利用。

新一代反應堆(“第四代”)的效率能逐漸提高，但不會有很大的提高。因為要保留“燃料棒”概念，某些概念還建立在舊的熔鹽堆設計上。同一液流既攜帶燃料又用來傳輸熱量，致使兩種功能的結果都不理想。英國Moltex 能源公司的SSR設計是個例外，它選擇在固體燃料細棒中裝入液態燃料[4]。

雙液流反應堆設計，Dual Fluid稱之為“第五代”核能，采用集中式液體燃料和液鉛冷卻劑，與核燃料再循環裝置相結合，能把與燃料相關的能源消耗降到最少(見圖6中藍色區域)。如前所述，由于功率密度高(如圖中綠色區域所示)，系統相對緊湊，也提高了效率。

總的來說，DF300型核電廠的能源消耗，可降到典型LWR的1/10，必然會降低成本。實際上，能量回報率增加，取決于反應堆的規模，DF300為800-1000;而DF1500約為2000。圖7是雙液流型反應堆與其他能源的投資回報率的對比。

圖6: 雙液流(DF300型模塊化核電廠)的能源需求：與LWR相比降到1/10

圖7: 相對于雙液流熔鹽堆，現有各種能源的能源投資回報率

雙液流反應堆內“分隔”兩種液流的材料，必須有足夠的導熱性和耐腐蝕性能，無論是鉛還是燃料鹽，都是一種熔融的液態金屬。與熱中子反應堆條件相比，結構性的管壁材料有多種選擇，主要因為快堆的中子俘獲截面小。原則上合適的材料早已存在了幾十年，但含稀有、昂貴的化學元素。對于傳統的反應堆技術和現代熔鹽概念，這可能是個問題，因為功率密度低，需要大量的結構材料。但這不適用于雙液流系統，它可使用一系列現代工業材料，即使貴金屬也可以作為合金的組份，對系統的總成本影響不大。

這類材料的例子是難熔的金屬合金或高度耐腐蝕的陶瓷，如硅、鈦或碳化鋯。近幾十年來，這些材料越來越多地用于極端條件下的工業應用。此外，也可在涂層中添加氧化釔等組份，能抗1500℃的純鈾。由于堆芯的溫度遠低于這個溫度，核燃料不是純鈾，而是鈾鉻混合物。因此，Dual Fluid公司認為，確定最合適的材料是一項“可以解決的開發任務”。

安全特征

雙液流設計最重要的安全特性是反應堆瞬間自動調節，這是通過非常“負”的反應性溫度系數實現的。如溫度升高，核燃料膨脹。結果，反應性立即下降，溫度隨之下降。這種反應堆是完全自調的，不可能發生切爾諾貝利那樣的堆功率“暴漲”。

系統升溫超過正常運行溫度限值，“只可能由燃料組份不正確”引起，“冷凍塞”熔化，提供附加的安全保護。

冷凍塞(見圖8)是燃料循環管路最低點附近“能動”冷卻的管段。它靠外部“能動”冷卻，局部凍結“隔離”下游出口。如燃料過熱，燃料冷凍塞“融化”，液態燃料靠重力泄入次臨界配置的燃料罐。鏈式裂變反應立即停止，衰變熱完全非能動排出，不會發生日本福島那類的事故。這個簡單的控制系統概念極為可靠，早在上個世紀60年代在美國熔鹽堆實驗裝置(MSRE)上已證實了它的價值。

圖8：熔鹽冷凍塞示意圖

為有效地抵御猛烈的沖擊和地震，核電站的核心部件置于地下厚壁的“堆坑”內。即使在可能發生最嚴重事故時，出現與核燃料環路相關的泄漏，也不會有放射性物質泄漏，進入外環境。因為沒有顯著的驅動壓力，也不會發生爆炸。

連續生產路線圖

經過十多年的基礎研發之后(主要在柏林固體核物理研究所進行)，目前雙液流技術還處于“技術準備”階段，即TRL3。商業部署的下一步是“組件測試”，見圖9。

圖9：系列產品可能的大事年表(* 技術準備水平;** 預測)

作為獲得“許可”的基礎，Dual Fluid公司的學術合作伙伴，正在對系統的穩定性進行分析;“種子輪”融資已在2021年6月順利完成[5]。

如果一切按計劃進行，希望十年內建成原型裝置，隨后很快開始批量生產。

見解與思考

人類社會的進步離不開能源。但以化石燃料為主的現代能源促成全球氣候暖化和環境危機，“俄烏沖突”又凸顯了能源獨立的重要性。世界能源問題的最終解決離不開核能，形勢的演變強調發展核能的緊迫性。

世界對核能的認識，也在發生急劇的變化。現代輕水堆技術為主的潮流正轉向更安全、可靠的小型模塊式反應堆(SMR)和非水冷的先進堆。“第四代”核能系統中六個主流堆型，顯得有點“過時”，還在研發、建造鈉冷堆(SFR)和鉛冷堆(LFR)的寥寥無幾，但熔鹽技術和熔鹽堆卻如雨后春筍。

在熔鹽技術和熔鹽堆研發中，加拿大的IMSR在謹慎地“繼承”上個世紀60-70年代美國熔鹽堆實驗裝置(MSRE)的技術成果;美國和中國的MCFR 、FHR和TMSR已在探索、發展熔鹽堆新技術;英國Moltex能源公司的SSR用成熟的LWR工程技術，消除了熔鹽堆令工程師“恐懼”的工程技術問題;德國的雙液流反應堆(DFR)則用液鉛冷卻劑，把熔鹽堆技術推到了其他堆型難于企及的“高度”。

圖10：IMSR，FHR，TMSR，MCFR，SSR，DFR圖略

DFR概念的先進性是其他非水冷先進堆難以企及的。但推進任何先進堆概念，急需通過工程技術實踐加以證實。先要有個熔鹽堆和鉛冷堆實驗裝置“運轉”起來，證明各自的實踐性，加拿大、美國和俄羅斯正在這么做(如SSR-W，MCRE和Brest-OD-300)[6]，聯合的最優化達到“極致”是水到渠成的事。

要使學界、工程界和核能企業普遍接受液態核燃料和液態鉛冷卻劑，像固體核燃料和輕水冷卻劑那樣，就要發揮學者、工程師和核能運行-維修人員三方的聰明和智慧，實行“三結合”，以盡快地讓熔鹽燃料和鉛冷技術“流行”起來。

好在從上個世紀60-70年代開始，特別是近些年以來，核工程技術的巨大進步，讓工程師們“恐懼”的難題有“解”了;耐高溫、抗腐蝕的材料“過關”了，嚴苛環境條件下運行參數的監督和控制工具開發出來了，數字技術和異常問題處理的人工智能和機械人技術正在成熟，各種現場環境條件下的運行和維護難題，可以及時得到解決，過渡到“極致”需要的時間，也許不會太久……

資料與注釋

[1] NEI, Reinvented: The Dual Fluid principle, 24 August 2022

[2] DUAL FLUID, Reinventing Nuclear, 2022

[3] Dominik Böhm et al., NEW METHODS FOR NUCLEAR WASTE TREATMENT OF THE DUAL FLUID REACTOR CONCEPT, Acta Physica Polonica B, January 7, 2020

[4]杜銘海，SSR-W型熔鹽堆燃料開發的“里程碑”意義，《中國能源網》電力-核電，2020-05-29

[5] “種子輪”融資，也稱“種子融資”，是最早階段進行的融資方式。雖然大多數初創企業都依靠創始人自己的或其直系親屬和朋友的資金，某些企業也會尋求第三方的“種子融資”，這是一種最早期階段進行的融資方式。

[6] SSR-W：英國Moltex能源公司設計，已與加拿大安大略電力公司的核可持續性發展中心、新不倫瑞克電力公司達成合作協議，廠址選在該省唯一的坎杜堆核電站萊普瑞奧角(Point Lepreau)廠址上。目前已通過加拿大核安全委員會(CNSC)的“頒證前供應商設計審查”(VDR)三個階段的第一階段，目前處于第二階段，供應商堅持20年代末建成發電;MCRE：即MCFR的原型堆實驗裝置，0.5 MWt,泰拉能源與南方公司出資，建在INL科技園區現場，僅無常規島部分，2025年底建成達臨界;Brest-OD-300：示范鉛冷快堆核電站，俄羅斯國家核能公司Rosatom 出資，建在俄羅斯謝維爾斯克市附近(靠近托木斯克)已開工，計劃2026年建成發電。