丹麦西博格公司小型熔盐堆拟2026年推向市场

马图斯·佩特(Mateusz Pater)、埃斯本·布林特·克林比(Esben Bryndt Klinkby)和丹尼尔·库珀(Daniel Cooper)，2022年初在《国际核工程》网站介绍了丹麦西博格技术公司开发的小型熔盐堆(CMSR)。这是个铀基氟化物熔盐做燃料和主冷却剂的热谱堆，显著特点是提议用氢氧化钠盐做慢化剂[1]。

图1. 两个、四个和六个CMSR的动力驳船效果图

西博格技术公司(Seaborg Technologies)[2]是丹麦的一家公司，正在开发先进的、固有安全的下一代核反应堆，称为小型熔盐堆(Compact Molten Salt Reactor, CMSR)。

西博格公司的使命是通过连续生产模块化、浮动式动力驳船，在全球范围内提供清洁、有成本竞争力的动力，支持能源市场不断增长、无法完全依赖可再生能源的那些国家。

因为一个CMSR只提供100 MWe或250 MWt的动力，概念上可视为小型模块化反应堆技术，允许快速部署，以降低资本(基建)成本，并增加选址的可能性。动力驳船设计可扩展，可以配置2～8个运行的CMSR，提供高达800 MWe或2000 MWt动力。

西博格技术公司的员工人数目前已近80人。2020年美国航运局(ABS)批准这种技术的可行性声明以来[3]，员工人数一直在快速增长。随后的融资和人数增加，大大加快了CMSR的设计工作和实验活动。西博格公司继续招募人才，建造新的实验设施，以实现2026年开始商业运营CMSR模块雄心勃勃的计划。

小型熔盐堆设计

自2020年以来，西博格公司一直致力于CMSR概念设计，一旦完成，通过原型堆测试，将构成成熟级的技术。

CMSR是热谱堆，铀基燃料也作为主冷却剂。这个堆的显著特点是使用专利的液态慢化剂，即氢氧化钠熔盐(NaOH)。使用氢氧化物熔盐，与先进材料和腐蚀控制方法相结合，可使单个CMSR的使用寿期达到12年。

CMSR由几个系统及其各自的子系统组成。CMSR的核心部件、发生链式反应之处是反应堆堆芯，靠反应堆堆芯容器封装。氟化物燃料熔盐通过堆芯一系列燃料细管循环。这些燃料细管把燃料盐与熔态氢氧化钠慢化剂分开。燃料盐回路的关键部件是化学控制单元，它既控制盐的腐蚀性，又提取裂变产生的惰性气体。燃料盐靠泵压入一次热交换器，把热量传递给二次盐，再通过蒸汽发生器将热量传递给高压水，产生的蒸汽驱动传统涡轮机发电。CMSR的热能还可直接用于发电以外的其他用途，如生产合成燃料。

图2. CMSR主回路及周边系统的简化模型

西博格公司的设计尽可能依靠固有安全。CMSR是“简易”(walk-away)安全的，因为除了其他特征，反应性温度系数为负，放射性物质化学地保留在氟盐中，燃料沸腾裕度大，而且连续去除气态裂变产物。

CMSR的主要专设安全设施是位于反应堆堆芯下方的疏液箱。发生异常或事故时，泄放阀“自动”打开，燃料盐进入专门设计的容器中，借此终止链式反应，降低放射性水平，并排出余热。能动和非能动冷却方法都可用来去除放射性衰变产生的余热。

建造的动力驳船可容纳多个动力模块，数量取决于所需的总功率。每个动力模块有两个在役CMSR。前两个反应堆是在造船厂建造动力驳船期间预装的。动力模块在空的反应堆舱内留有两个CMSR的空间。经过12年的运行后，动力模块中两个初始CMSR燃料耗尽，反应堆关闭。那时，两个新的CMSR运入空的堆舱，经安装、调试，以最短的停机时间移交动力生产。因此，动力驳船的使用期延长到24年，在电厂的整个使用期内，只进行一次换料(即只更换动力模块中的CMSR)。

图3. 动力驳船顶视图：一个动力模块，两个空舱，两个完整的堆舱

运行24年后，动力驳船运交退役设施，动力设施现场恢复原状。因此，CMSR退役比传统核反应堆简单得多。

西博格公司的长期目标是用过的燃料盐后处理和再循环，使废物占据的空间最少，有可能把废物的寿命限定在300年左右。所有的废物流都可以，并在现有的核退役框架内进行处理。核废物是稳定的，因为它包含在氟盐内。组成动力驳船的模块，其建造方式只是使反应堆单元和屏蔽层有放射性。动力装置的其余部分可以退役，就像其他任何非核的电厂一样。

氢氧化钠慢化剂

熔盐堆(MSR)并不是新概念。它在20世纪50年代和60年代在美国橡树岭国家实验室首次开发和研究，由此产生的熔盐堆实验装置(MSRE)是多个新核反应堆公司灵感与知识的源泉，包括海运。MSRE的慢化剂是石墨。石墨可以承受MSR的极端高温和腐蚀环境，但它在反应堆使用寿期内遭受辐照损伤。这将导致结构材料先收缩后膨胀，从而产生裂缝，最终导致失效。由于慢化剂使用寿命较短，石墨的问题主要转化为需要大约每五年更换一次反应堆堆芯。

西博格公司采取完全不同的方法。用它的专利慢化剂即氢氧化钠熔盐取代石墨。其熔点和沸点与MSR使用的氟化物熔盐兼容，最重要的是液体，不遭受辐照损伤。由于它的中子学特性，可以很好地充当慢化剂，这也使反应堆堆芯尺寸大大减少(因此这种堆是“小型”的)。

引入氢氧化钠的另一个挑战是腐蚀性，对此，西博格公司正在进行广泛的实验活动。如不加控制，高温下的氢氧化钠熔盐化学性质，会使反应堆结构材料，即包含熔盐的容器和管道发生腐蚀。即使通常用于高温堆的铁和镍基合金，也很难容纳未经处理的氢氧化钠熔盐。然而，结合最先进的材料和西博格公司的腐蚀控制方法专利，CMSR结构材料的腐蚀速率显著降低。因此，单个CMSR的运行寿命预计为12年，优于石墨慢化的MSR。

测试活动

为确保与腐蚀性氟化物和氢氧化物熔盐接触的反应堆芯细管能够承受反应堆运行的严酷条件，西博格公司正在进行大量的实验，重点是掌握腐蚀控制。

有了全新、最先进的实验室，就可在CMSR运行条件下，同时使用燃料盐、慢化剂盐和二次盐，进行大量的实验。测试活动用于材料选择、传感器和工艺开发、性能测量、概念、模型和需求验证等。

他们还在设计、建造和测试自己定制的实验设施和样机。他们在国内和国际建立了工业界和学术界的伙伴关系，以简化实验验证活动的工作。其内部工程和化学专家正在携手开发熔盐流回路，用于测试和验证反应堆设计的各个方面。他们正在进行的长期测试活动，针对的是自己关键的知识产权(IP)，即氢氧化钠腐蚀控制。

图4. 西博格公司新实验室的一部分

中子学试验

当中子能量很高时，例如由快裂变产生的中子，与材料之间的相互作用可以很好地理解，并且可以使用蒙泰卡罗技术为所有材料精确建模。然而，CMSR依靠氢氧化钠把中子能量降到热态。为了准确地模拟调节，至关重要的是精确地了解中子与材料之间的相互作用，因为这些发生在原子尺度及以下的相互作用，最终决定宏观物理量，如中子谱、能量沉积和反应性。

热化过程本身取决于氢氧化钠分子结构的特定性质，这一点迄今为止是未知的，因此不可能精确地模拟热化过程。由于这些原因，已经发起一个实验性的“战役”，测量氢氧化钠的中子散射特性。几十年前，为了解传统反应堆内基于水中慢化发生的慢化细节，就曾经对水进行了等效实验。

由于关注的相互作用取决于靶分子的激发，而它们取决于温度，特别是材料的“相”。为了能够在所有可预见的情况下准确地模拟CMSR，有必要在很宽的温度范围内模拟中子与固态和液态氢氧化钠的相互作用。

测量中子对氢氧化钠的散射所需的实验战役从固相开始。西博格公司与瑞典隆德来的欧洲散裂源(ESS)[4]专家以及英国牛津郡的ISIS[5]中子散射专家合作，把氢氧化钠样品暴露在ISIS中子束下，用其VESUVIO光谱仪，在几个温度下，测量能量与总散射截面的相关性。然后从透射光谱中计算出总截面，目前正在进行后处理。我们的目的是一旦完成，就公开出版和分享开发的软件库。

CMSR正常运行期间，慢化剂将呈液态形式，在高温下进行，因此必须使用液态样品重复测量和建模。ISIS、ESS和Seaborg之间的合作仍在继续，以便设计下一个实验。

虽然仍有实验要进行，基本数据需要收集，但西博格公司正在努力推进CMSR的设计，并在2026年将该反应堆推向市场。 

图5. 商业化之路：CMSR项目时间表

图6. 正在西博格公司总部展览的第一个熔盐回路

启示与见解

丹麦西博格技术公司开展熔盐堆研究较早，2018年初获得第一笔外部资金，但到2020年才正式公开，2024年就要建成原型堆，2026年建造动力驳船式系列产品，速度之快，值得关注。跟他们竞争的是美国的500 MWe ThorCon型浮动熔盐堆(TMSR-500)，西班牙工程公司(EA)承包，建在印尼[6]。

西博格公司的CMSR设计灵感的源泉是美国橡树岭国家实验室的MSRE，但有两大“突破”：热谱，慢化剂改用氢氧化物盐，化学控制防腐蚀，堆芯使用寿期12年;把CMSR做成“黑匣子”，定期更换反应堆单元，可以出售或出租，负责换料和退役。开辟这种模式，解除买方压力，对普及世界和平利用核能是个“强心剂”。先进堆和小型模块式反应堆(SMR)走上这条路，核能才算迈上“阳关大道”……

资料与注释：

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

2 西博格技术公司(Seaborg Technologies)，丹麦的一家公司。2014年开始在哥本哈根的一个地窖里，三个物理学家在那里酿造啤酒，由来自尼尔斯·玻尔研究所、丹麦技术大学、欧洲核子研究中心、加州大学伯克利分校、欧洲散裂源和保罗·舍勒研究所的科学家们创立，2018年初获得第一笔外部资金。现在，它雇佣了大约80名员工，从核工程师到业务开发人员，拥有并经营着几个实验室，正在为下一代核反应堆建造“取证”努力工作。

3 美国航运局，American Bureau of Shipping(ABS)，成立于1862年，总部在美国德克萨斯州休斯顿市。所谓“Feasibility Statement”，详见Seaborg Technologies，Clears First Classification Milestone for Maritime Deployment of Nuclear Power Barges with ABS Statement, PRESS RELEASE, 17/12/2020。

4 欧洲散裂源，European Spallation Source(ESS)，属欧洲研究基础设施联盟(ERIC)，是世界最强大的中子源为基础的多学科研究设施。在与材料、能源、健康和环境相关的研究方面取得科学突破，并解决这个时代一些最重要的社会挑战。

5 ISIS，世界上凝聚态研究中最强大的脉冲中子来源，位于英国卢瑟福阿普尔顿实验室。

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