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SSR-U型熔盐热谱堆更安全、更清洁、更便宜

2022-11-03 13:42:25 5e   作者: 镜清  


图1. 艺术家印象中32个模块堆阵列(512 MWe)、GridReserve©和汽轮发电机厂房,

整个现场装机总量1.536 GWe的核电厂。

Moltex能源公司原首席商务官西蒙·牛顿(Simon Newton)曾说,这个公司的稳定熔盐堆将开创清洁、低成本能源的新时代[1]。

Moltex公司的英国科学家和工程师团队专注于提供既清洁又负担得起的能源,以应对气候变化这个复杂的挑战。这个公司的答案很简单:Moltex设计了一种利用材料天然特性的核反应堆,使核反应以可控和安全的方式发生。反应堆设计使用标准材料,没有运动部件,实质上是安全的。它易于建造、安装和运行,因此成本低于煤炭、石油或天然气。

稳定熔盐铀燃料反应堆(SSR-U)是一种熔盐堆,热谱运行,燃料中用的是低浓缩铀(6%)。每个反应堆产生40 MW热能。足以为大型城镇提供电力,反应堆可以在不大的小场地上成排部署,以满足城市中心不断增长的能源需求。与传统反应堆不同的是,SSR-U的出力“可调度”,意味着可以补充间歇性可再生能源的不足,而这通常由化石燃料承担。

SSR-U产生750℃的热能,还可取代工业生产过程中的化石燃料,通过高温电解生产清洁、低成本的氢气。

SSR-U核岛简况

SSR-U型反应堆是热谱堆,但在概念、结构和运营方面,与传统设计都不相同,也与2018年提供IAEA的设计描述有很大差别[2]。

SSR-U的核燃料和主冷却剂都是熔盐。熔盐核燃料类似传统反应堆的固态燃料芯块,装在组件的细钢管内;每根细钢管插在石墨基质慢化剂的单独孔道内,形成反应堆堆芯。堆芯和主热交换器装在充满主冷却剂的反应堆箱体容器内。这个容器放置于地下混凝土井内,上面覆盖着混凝土屏蔽块。


图2. SSR-U反应堆核岛厂房结构

最初装载的核燃料在堆内停留20年(反应堆预期寿命60年,有两次换料)。通过细钢管内的熔盐燃料和管外的主冷却剂熔盐自然对流循环,把核燃料产生的热量传输出堆芯。如果这一过程因任何原因停止,堆芯温度将会上升,像任何核反应堆一样,反应性将会下降。与传统反应堆设计不同的是,SSR-U不需要能动的系统或泵排出堆芯热能或停堆。

其他的熔盐堆设计,盐既充当燃料又充当冷却剂,始终靠泵迫使主冷却剂贯穿整个系统,腐蚀是个严重挑战。Moltex设计的独特之处在于,燃料盐与冷却剂盐是分离的,可以根据各自的职能任务进行调整。通过对每种盐使用不同的氧化还原控制机制,Moltex可以克服这些难题,甚至可使用标准钢材建造反应堆。

Moltex位于沃灵顿(Warrington)的实验室拥有一支20名物理学家、化学家、冶金学家和工程师组成的团队,致力于辅助研发工作。他们正在验证用于SSR-U熔盐的腐蚀性能。

SSR-U的设计简单,核岛主系统没有运动部件,固有的安全特性导致基建成本较低。除了每隔20年给每个反应堆装/卸核燃料外,运营商几乎不需要做任何事情,这使得运行成本非常低。

SSR-U的用途

从单台到大量模块的核电厂,这种核电装置能对经济的各方面“脱碳”做出贡献:

▲联网、离网提供清洁电力;

▲制氢,直接用作燃料或燃料电池的燃料;

▲为能源行业提供低碳排放的热能;

▲特殊应用,如海航推进和海水淡化。

能源生产是全球最大的经济活动,同时驱动经济发展。到2100年,全球人口可能达到110亿,国际社会面临既要减少化石燃料使用,又要支持经济发展宏图的两难困境。

应对这两个挑战的唯一途径是开发更清洁的能源,因此SSR-U的潜力巨大。它成本低、配置数量可扩展,而且温度高,同时适用于发达国家和发展中国家,适应性广泛。

SSR-U的下一目标

Moltex公司开发SSR-U的活动仍在继续。目前这项技术已经公开,还在英国本土设立MoltexFLEX公司专事辅助研发,并负责寻求颁发许可、建造第一批机组的管辖过程[3]。

英国政府“更新”的能源战略,表明它在重新关注核能,希望到2050年装机总量达到25 GW或更多。Moltex希望充分利用这种新的热情,但所需的支持不是财务方面:这是个小型堆,可轻易获得私人资本的支持。

MoltexFLEX公司需要英国政府提供与监管机构接触的渠道、合适的厂址,以及与项目成本和工程进度相协调的取照和协调争议的监管规范。有适当的支持,就有可能在这十年期末(计划在2029年前)建成首个反应堆,在30年代中期部署一个“堆群”。

见解与思考

英国Moltex能源公司开发的稳定熔盐堆(Stable Salt Reactor, SSR),与世界各地正在开发的所有其他熔盐堆有本质区别,但其燃料组件与现代、传统的水冷堆类似:强放射性的熔盐燃料限制在燃料细棒内,由另外的独立、非放射性的冷却剂将热能从反应堆堆芯传输给主热交换器。

SSR在任何可能的情况下,都可用核工业验证过、成熟的材料和技术,消除大量研究项目的需要,使安全和设计验证更容易、更快速。

SSR-U型热谱堆设计有重大改变。从9月29日起,由其子公司MoltexFLEX负责,改称FLEX型反应堆。目标是,迅速把FLEX型反应堆推向市场,迅速在全球部署这种“堆群”[4]。


图3. SSR燃料细棒与排气口(左),SSR热传输回路(中)

与GridReserve©支持的间歇性可再生能源(右)示意图[5]。

FLEX反应堆设计扩大了“固有安全”理念,堆芯是热工流体“自然循环”、没有运动部件的低压系统;规模只是传统核能的“核岛”部分,与核监管相关的设施少;主冷却剂出口温度高达750℃,有潜力提高能源转换效率,大大降低基建和运营成本;与电网储备(Grid Reserve)耦合,成为外网可调度、辅助间歇性可再生能源系统的“调峰”容量。

SSR-U型热谱堆设计成就“靓丽”,值得关注:

▲热谱,石墨慢化剂,初装核燃料浓缩度仅6%,但换料周期20年;

▲仅靠主热交换器——二次热交换器“位差”,实现“核岛”回路系统热传输;

▲核岛设计与电网储备设施耦合,可使电厂调峰能力扩大3倍;

▲24个月建成500MWe的电厂,发电成本40英镑/MWh。

在当前世界气候危机加剧、国际与国内能源转型窘途中,调集科技人才,开发MSR,特别是SSR,是急迫,但有基础也可能获得突破的新能源技术……

资料与注释

[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.




责任编辑: 李颖

标签: SSR-U型熔盐热谱堆

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