英國(guó)Moltex能源公司2022年9月底宣布設(shè)立全資子公司MoltexFLEX有限公司，總部位于英國(guó)沃靈頓。它專職開(kāi)發(fā)FLEX型穩(wěn)定熔鹽熱譜堆——一種先進(jìn)的核反應(yīng)堆，可以提供清潔、低成本和可靠的能源，作為風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源的補(bǔ)充。MoltexFLEX計(jì)劃在2029年前使其首堆投入運(yùn)行[1,2]。

圖1:藝術(shù)家印象中32個(gè)FLEX型穩(wěn)定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. 核心技術(shù)

FLEX型穩(wěn)定熔鹽堆(SSR)是Moltex能源公司全球?qū)＠€(wěn)定熔鹽堆技術(shù)的熱譜(慢化)版，與其姊妹公司Moltex Energy Canada共享這種技術(shù)。后者正在開(kāi)發(fā)快譜版的穩(wěn)定熔鹽堆。

SSR與世界各地正在開(kāi)發(fā)的所有其他熔鹽堆(MSR)有本質(zhì)區(qū)別。因?yàn)樗鼈兣c傳統(tǒng)反應(yīng)堆的燃料組件類似，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應(yīng)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)系統(tǒng)，包括泵、過(guò)濾器、調(diào)節(jié)裝置和熱交換器，與強(qiáng)放射性的核燃料鹽接觸，對(duì)這些部件提出了嚴(yán)峻的要求，使監(jiān)控和維護(hù)非常有挑戰(zhàn)性。圖2說(shuō)明MSR類型之間的關(guān)鍵區(qū)別。

圖2: 傳統(tǒng)熔鹽堆與穩(wěn)定熔鹽堆的差異

2. 設(shè)計(jì)理念

簡(jiǎn)單

FLEX型SSR在設(shè)計(jì)時(shí)著重簡(jiǎn)單性。它是小型和模塊化的，允許大多數(shù)部件在專業(yè)制造廠生產(chǎn)，便于運(yùn)輸，減少現(xiàn)場(chǎng)的工作，縮短工期。所有這些都最大限度地降低了總成本。FLEX型SSR在任何可能的情況下，使用已經(jīng)在核工業(yè)中得到驗(yàn)證的、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)證更快、更容易。MoltexFLEX公司的目標(biāo)是，讓清潔能源比化石燃料更便宜，迅速把FLEX反應(yīng)堆推向市場(chǎng)，盡早在全球部署這種“堆群”。

低成本

傳統(tǒng)核電機(jī)組的建造和運(yùn)營(yíng)成本已變得越來(lái)越昂貴，主要因?yàn)樾枰踩芾硐到y(tǒng)和程序的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，F(xiàn)LEX反應(yīng)堆是“固有安全”的。采用低壓系統(tǒng)，大大降低了安全密封的成本。它的運(yùn)行安全是由“固有”(Inherently)和“非能動(dòng)”(Passive)[3]安全系統(tǒng)提供的，大大降低了基建和運(yùn)行成本。FLEX反應(yīng)堆的規(guī)模只是傳統(tǒng)核電站的一小部分，其設(shè)計(jì)成本與燃燒化石燃料相當(dāng)。此外，F(xiàn)LEX反應(yīng)堆的出口溫度高，有潛力提高能源轉(zhuǎn)換效率。

輔佐可再生能源

FLEX反應(yīng)堆的特征是對(duì)需求變化響應(yīng)速度快，支持間歇性可再生能源的能力強(qiáng)。FLEX反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)目的就是提供可調(diào)度電力，解決可再生能源供應(yīng)間歇性難題。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因，傳統(tǒng)的二/三代核電機(jī)組不適宜提供這種靈活性，由此產(chǎn)生的供應(yīng)缺口通常由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組填補(bǔ)。

FLEX反應(yīng)堆輸出溫度高，可用GridReserve©[4]系統(tǒng)，使用熔鹽(已用于太陽(yáng)能行業(yè))儲(chǔ)熱幾小時(shí)或幾天，提高成本效益。外部需求超過(guò)供給時(shí)，可立即釋放儲(chǔ)存的熱能。

大量可再生能源長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電期間，F(xiàn)LEX反應(yīng)堆只需非能動(dòng)地處于“空載”模式，產(chǎn)生的熱能恰好使反應(yīng)堆保持運(yùn)行溫度。這種反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，基建成本低，使之經(jīng)濟(jì)可行。

固有安全

FLEX公司的安全理念是，憑借這種技術(shù)的基本特性，重點(diǎn)在于減少或消除多重的重大危害，并與各種非能動(dòng)安全措施共同管控剩余的風(fēng)險(xiǎn)。在正常運(yùn)行期間，F(xiàn)LEX反應(yīng)堆不需要任何“能動(dòng)”措施維持核安全。與其他反應(yīng)堆技術(shù)比較，這種方法有很大的安全優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楹笳吒叨纫蕾嚹軇?dòng)的安全系統(tǒng)處于正常后備、維護(hù)并保持運(yùn)行狀態(tài)。

FLEX反應(yīng)堆概念設(shè)計(jì)排除了許多危害，消除了各種風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)需添加工程解決方案，予以控制或緩解。因此FLEX反應(yīng)堆靠設(shè)計(jì)保證基本安全。

多用途的熱能

FLEX反應(yīng)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，也可有以下其他應(yīng)用，包括：

• 工業(yè)過(guò)程或區(qū)域供暖的直接輸入熱源(歐洲工業(yè)使用的所有熱能溫度， 2/3低于700°C)。

• 高溫電解熱源，合理高效的清潔制氫氣;也支持更有效的熱化學(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 重型卡車的燃料電池

o 合成燃料的原料，包括航運(yùn)中燃油替代品的氨

• 海水淡化裝置的能源。

此外，還可把FLEX反應(yīng)堆用于海航業(yè)，主要是船舶推進(jìn)。

3. FLEX型反應(yīng)堆的現(xiàn)場(chǎng)配置

典型的現(xiàn)場(chǎng)可包含任何數(shù)量模塊化的FLEX反應(yīng)堆配置。每個(gè)堆熱功率為40 MW，相當(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)期間提供768 MWe的熱能。

FLEX反應(yīng)堆的熱輸出，通過(guò)管道系統(tǒng)內(nèi)的熔鹽傳輸給核島外側(cè)的GridReserve©儲(chǔ)罐。儲(chǔ)存的熔鹽可用來(lái)產(chǎn)生超熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的汽輪機(jī)發(fā)電。這是可能的配置，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)比較，F(xiàn)LEX反應(yīng)堆的安全性與儲(chǔ)熱和發(fā)電機(jī)組提供的“熱阱”是完全分離的。衰變散熱系統(tǒng)是完全“非能動(dòng)”的，利用“自然對(duì)流”，無(wú)需“機(jī)動(dòng)”部件。此外，由于不需要與安全相關(guān)的干預(yù)和維護(hù)，典型FLEX型反應(yīng)堆廠址的接入點(diǎn)數(shù)量比傳統(tǒng)核電站更少，減少了核安全保障的風(fēng)險(xiǎn)。

4. 反應(yīng)堆

FLEX型反應(yīng)堆在概念、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方面，與傳統(tǒng)的熔鹽堆設(shè)計(jì)有很多不同。兩者的燃料和主冷卻劑都是熔鹽，通過(guò)仔細(xì)選擇熔鹽的化學(xué)成分，控制腐蝕，防止氧化和浸析。但FLEX反應(yīng)堆的燃料鹽裝細(xì)鋼管內(nèi)，每根細(xì)鋼管插入單獨(dú)的石墨基質(zhì)慢化劑孔道中，構(gòu)成反應(yīng)堆堆芯。堆芯坐落在充滿主冷卻劑熔鹽的反應(yīng)堆箱型容器內(nèi)。反應(yīng)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)行16-25年，可能還有兩次換料，使反應(yīng)堆總壽命長(zhǎng)達(dá)75年。正常運(yùn)行期間，核燃料產(chǎn)生的熱能，通過(guò)充滿反應(yīng)堆箱型容器的主冷卻劑熔鹽自然對(duì)流循環(huán)，從堆芯傳輸出去。剩余的衰變熱，通過(guò)反應(yīng)堆箱體周圍的空氣自然循環(huán)，連續(xù)排出。這些非能動(dòng)的熱傳輸機(jī)制，確保不需要能動(dòng)系統(tǒng)或泵，就能排出熱能或停關(guān)閉反應(yīng)堆。

圖3：FLEX反應(yīng)堆剖視圖

5. 核燃料

反應(yīng)堆堆芯由石墨砌體中的核燃料細(xì)棒陣列組成，而石墨塊占據(jù)箱體容器的大部分。每根燃料細(xì)棒插在單獨(dú)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反應(yīng)堆的核燃料是液態(tài)低濃縮鈾(濃縮度6%)氟化物鹽，裝在專利的、帶排氣的燃料細(xì)管內(nèi)。熔鹽燃料通過(guò)自然對(duì)流在燃料管內(nèi)循環(huán)，有利于熱量通過(guò)管壁傳遞給細(xì)管外圍的熔鹽冷卻劑。燃料鹽的化學(xué)性能是通過(guò)鈾氧化態(tài)組合穩(wěn)定氧化還原的，在與氟化鈉稀釋劑共晶混合物中充當(dāng)氧化還原緩沖劑，能維持氧化還原電位，中和整個(gè)反應(yīng)堆壽期內(nèi)產(chǎn)生的潛在腐蝕性的裂變產(chǎn)物。

核燃料鹽不與周邊的石墨接觸，也不需要強(qiáng)制從反應(yīng)堆堆芯進(jìn)入熱交換器。

燃料鹽一直與冷卻劑鹽保持分離。冷卻劑鹽是另一種氟化物鹽，用來(lái)傳輸反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能。然而，它們有可能互熔，并從根本上改變堆芯損傷的效應(yīng)。在傳統(tǒng)反應(yīng)堆內(nèi)，堆芯損壞導(dǎo)致反應(yīng)堆進(jìn)入非常危險(xiǎn)的狀態(tài)。但在FLEX反應(yīng)堆內(nèi)，即使嚴(yán)重的堆芯損壞，仍然會(huì)使反應(yīng)堆轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。例如，核燃料細(xì)管的缺陷會(huì)引起管壁破裂，因?yàn)槿剂消}將稀釋在大體積的冷卻劑熔鹽內(nèi)，導(dǎo)致堆芯反應(yīng)性降低。因此，堆芯損壞不會(huì)增加核電站工作人員或周邊公眾受到照射的可能性。

圖4：堆芯石墨砌體與核燃料細(xì)棒

裂變氣體排出

在FLEX反應(yīng)堆內(nèi)，大部分裂變產(chǎn)物立即被捕獲，成為不揮發(fā)的鹽，并保留在燃料細(xì)管內(nèi)的燃料鹽內(nèi)。揮發(fā)性的裂變氣體沒(méi)有立即被燃料鹽捕獲，會(huì)通過(guò)一系列氣泡捕集器，壽命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)物會(huì)困在燃料鹽內(nèi)。最危險(xiǎn)的放射性裂變氣體(氙-137衰變?yōu)橛泻Φ匿C-137)，幾乎完全包含在氣泡捕集器內(nèi)。

氣泡器內(nèi)出現(xiàn)的主要放射性氣體是氪-85。在反應(yīng)堆換料周期內(nèi)，這些氣體會(huì)積累在反應(yīng)堆氣體空間。由于它的半衰期為10年，停役時(shí)很多仍會(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。

然而，MoltexFLEX公司更傾向于捕獲并儲(chǔ)存這種氣體，直到幾乎完全衰變，大概需要50年。

圖5：核燃料細(xì)棒組件

6. 非能動(dòng)控制系統(tǒng)

換料后，堆內(nèi)后備反應(yīng)性過(guò)大，要立即借助另外的中子吸收劑“中和”。這種吸收劑可熔于熔鹽冷卻劑，并通過(guò)定期注入系統(tǒng)添加到主冷卻劑內(nèi)。這種中子吸收劑燃燒得很慢，要每隔幾周或幾個(gè)月補(bǔ)充一次。

為響應(yīng)電力需求的變化，借助類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利機(jī)制，提供反應(yīng)性變化的精細(xì)控制。冷卻劑溫度上升，這種機(jī)制會(huì)非能動(dòng)地降低堆芯反應(yīng)性，使反應(yīng)堆能在不需要運(yùn)行人員任何干預(yù)的情況下，安全地響應(yīng)反應(yīng)堆傳輸給熱交換器熱量的變化。

7. 余熱排出系統(tǒng)

核燃料細(xì)管便于燃料鹽與外圍冷卻劑鹽之間熱傳遞，冷卻劑鹽工作溫度高達(dá)770°C。加熱時(shí)，通過(guò)石墨砌體通道，自然對(duì)流上升到反應(yīng)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，完全靠非能動(dòng)地“自然對(duì)流”。

FLEX反應(yīng)堆的高溫輸出，可與GridReserve©相結(jié)合。GridReserve©就是個(gè)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，把反應(yīng)堆輸出的熱能儲(chǔ)存在大型熔鹽罐內(nèi)。這些鹽以后可用來(lái)產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)而通過(guò)傳統(tǒng)的發(fā)電裝置，按照正常工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電。每天電力需求高時(shí)，GridReserve©可使發(fā)電裝置輸出反應(yīng)堆額定功率幾倍的電力。

這個(gè)系統(tǒng)的眾多優(yōu)點(diǎn)之一是，儲(chǔ)存熔鹽的流動(dòng)無(wú)需反應(yīng)堆操縱員控制。因?yàn)榉磻?yīng)堆非能動(dòng)地調(diào)節(jié)出力，發(fā)電裝置的運(yùn)行人員不必?fù)?dān)心改變或停止發(fā)電裝置對(duì)核反應(yīng)堆運(yùn)行有什么影響。

冷卻劑鹽

傳統(tǒng)核反應(yīng)堆使用的冷卻劑存在嚴(yán)重的安全隱患。例如，因部件故障壓力下降，水可“閃蒸”成蒸汽。用鈉作冷卻劑的設(shè)計(jì)曾引起火災(zāi)。任何高壓氣冷堆必須有安全系統(tǒng)，以管控壓力邊界出現(xiàn)破口，進(jìn)而導(dǎo)致堆芯失冷的后果。因此，從現(xiàn)有反應(yīng)堆學(xué)到的主要經(jīng)驗(yàn)是，使用化學(xué)和物理上穩(wěn)定的常壓冷卻劑，如熔鹽。

FLEX反應(yīng)堆使用專利的鋁氟化物和鈉氟化物共晶混合物作為主冷卻劑。類似的鹽混合物已在鋁冶煉行業(yè)用了幾十年，確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)內(nèi)長(zhǎng)期存在的難題。在冷卻劑鹽內(nèi)熔入少量的鋁，清除任何可能泄入堆內(nèi)的氧氣，可防腐蝕。

剩余發(fā)熱

非能動(dòng)排出余熱系統(tǒng)(RHRS)連續(xù)運(yùn)行，排出的熱量占反應(yīng)堆額定功率的0.5%。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完全“非能動(dòng)”，值得承受這點(diǎn)損失。它利用空氣自然對(duì)流，冷卻反應(yīng)堆箱體外層的底部、兩側(cè)和頂部。局部溫度限制在300 ~ 400 °C。反應(yīng)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，作為冷空氣產(chǎn)生的進(jìn)、出口。而后，空氣排入反應(yīng)堆廠房(見(jiàn)圖6)。

圖6：余熱排出系統(tǒng)

如果反應(yīng)堆額定功率運(yùn)行時(shí)完全停止“散熱”，最初的高衰變熱會(huì)使反應(yīng)堆升溫，比正常運(yùn)行溫度高約50°C。此后，通過(guò)RHRS連續(xù)排出0.5%的額定熱能，直到溫度足夠低，相對(duì)運(yùn)行溫度下降的反應(yīng)性溫度，足以重返臨界狀態(tài)。之后反應(yīng)堆穩(wěn)定在滿功率的0.5%，直到電廠運(yùn)營(yíng)者需要更多的熱量為止。

見(jiàn)解與思考

穩(wěn)定熔鹽堆(SSR)是英國(guó)化學(xué)家、Moltex能源公司董事會(huì)主席伊恩·斯科特(Ian Scott)的發(fā)明，目標(biāo)是“讓清潔能源比化石燃料更便宜”。SSR有熔鹽堆的一切優(yōu)勢(shì)，是典型的先進(jìn)堆;但把熔鹽燃料的發(fā)熱與冷卻功能“分離”，僅用來(lái)取代水冷堆燃料組件的固態(tài)燃料芯塊，避開(kāi)了熔鹽堆最棘手的挑戰(zhàn)，看起來(lái)就像傳統(tǒng)水冷堆(PWR、BWR)那么熟悉又簡(jiǎn)單……

FLEX型穩(wěn)定熔鹽堆是Moltex能源公司穩(wěn)定熔鹽熱譜堆(SSR-U)設(shè)計(jì)[5]的簡(jiǎn)化和改進(jìn)。它簡(jiǎn)化到極致，只剩下“核島”部分，僅靠固有、非能動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)“自然循環(huán)”運(yùn)行。凡有可能發(fā)生放射性異常的系統(tǒng)，均無(wú)“運(yùn)動(dòng)”部件;與核控制區(qū)外的儲(chǔ)熱與常規(guī)發(fā)電部分“耦合”，致使整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)成為比設(shè)計(jì)核容量高數(shù)倍、可調(diào)度的“儲(chǔ)能”設(shè)施。

FLEX型SSR有幾個(gè)專利設(shè)計(jì)，還沒(méi)有給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)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，幾乎與傳統(tǒng)輕水堆的核燃料濃縮度相同;

—換料周期20-25年，電廠壽命75年;

—石墨慢化劑;

—可提供750℃的熱能;

—募集私有資金建造，不靠國(guó)家資助;

—500 MW核電廠的建設(shè)工期僅24個(gè)月;

—發(fā)電成本與風(fēng)力發(fā)電相當(dāng)……

在國(guó)際上，水冷PWR/BWR小型模塊式反應(yīng)堆(SMR)，NRC已給NuScale和BWRX-300型設(shè)計(jì)頒發(fā)許可，第四代核能和先進(jìn)SMR開(kāi)發(fā)已集中在高溫冶金后處理工藝和熔鹽堆，再花費(fèi)時(shí)間和資源開(kāi)發(fā)其他類型的先進(jìn)堆價(jià)值不高。研究、開(kāi)發(fā)SSR型熱譜和快譜堆是發(fā)展先進(jìn)SMR的捷徑，值得組織核能界深入探討、研究。

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：依靠物質(zhì)/物體固有本性等自然規(guī)律確保安全，如水往低處流，冷熱空氣對(duì)流……

非能動(dòng)安全，passive safety：毋需依賴外部輸入而執(zhí)行功能的;其功能的執(zhí)行是在感受到某種參數(shù)，如壓力、溫度、流量的變化后完成的;基于不可逆動(dòng)作或變化又十分可靠的，也屬此類。

[4] GridReserve©，Moltex能源公司設(shè)計(jì)的電(熱)網(wǎng)儲(chǔ)能設(shè)施，特指熔鹽(太陽(yáng)鹽)儲(chǔ)熱罐及附屬的管網(wǎng)設(shè)施(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.