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FLEX型稳定熔盐热谱堆概述

2022-11-16 13:14:32 5e   作者: 镜清  

英国Moltex能源公司9月底宣布设立全资子公司MoltexFLEX有限公司,总部位于英国沃灵顿。它专职开发FLEX型稳定熔盐热谱堆——一种先进的核反应堆,可以提供清洁、低成本和可靠的能源,作为风能和太阳能等可再生能源的补充。MoltexFLEX计划在2029年前使其首堆投入运行[1,2]。


图1:艺术家印象中32个FLEX型稳定熔盐热谱堆模块阵列(512 MWe)+GridReserve©+汽轮发电机厂房,

整个现场“可调度”装机总量1.536 GWe。

1. 核心技术

FLEX型稳定熔盐堆(SSR)是Moltex能源公司全球专利稳定熔盐堆技术的热谱(慢化)版,与其姊妹公司Moltex Energy Canada共享这种技术。后者正在开发快谱版的稳定熔盐堆。

SSR与世界各地正在开发的所有其他熔盐堆(MSR)有本质区别。因为它们与传统反应堆的燃料组件类似,把强放射性的燃料盐限制在燃料细棒内。独立的、非放射性的熔盐冷却剂把热能从反应堆堆芯传输给主热交换器。

在其他MSR内,核燃料盐也是冷却剂。复杂的燃料盐循环系统,包括泵、过滤器、调节装置和热交换器,与强放射性的核燃料盐接触,对这些部件提出了严峻的要求,使监控和维护非常有挑战性。图2说明MSR类型之间的关键区别。


图2: 传统熔盐堆与稳定熔盐堆的差异

2. 设计理念

简单

FLEX型SSR在设计时着重简单性。它是小型和模块化的,允许大多数部件在专业制造厂生产,便于运输,减少现场的工作,缩短工期。所有这些都最大限度地降低了总成本。FLEX型SSR在任何可能的情况下,使用已经在核工业中得到验证的、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快、更容易。MoltexFLEX公司的目标是,让清洁能源比化石燃料更便宜,迅速把FLEX反应堆推向市场,尽早在全球部署这种“堆群”。

低成本

传统核电机组的建造和运营成本已变得越来越昂贵,主要因为需要安全管理系统和程序的风险。相比之下,FLEX反应堆是“固有安全”的。采用低压系统,大大降低了安全密封的成本。它的运行安全是由“固有”(Inherently)和“非能动”(Passive)[3]安全系统提供的,大大降低了基建和运行成本。FLEX反应堆的规模只是传统核电站的一小部分,其设计成本与燃烧化石燃料相当。此外,FLEX反应堆的出口温度高,有潜力提高能源转换效率。

辅佐可再生能源

FLEX反应堆的特征是对需求变化响应速度快,支持间歇性可再生能源的能力强。FLEX反应堆的设计目的就是提供可调度电力,解决可再生能源供应间歇性难题。由于技术和经济原因,传统的二/三代核电机组不适宜提供这种灵活性,由此产生的供应缺口通常由燃气发电机组填补。

FLEX反应堆输出温度高,可用GridReserve©[4]系统,使用熔盐(已用于太阳能行业)储热几小时或几天,提高成本效益。外部需求超过供给时,可立即释放储存的热能。

大量可再生能源长时间发电期间,FLEX反应堆只需非能动地处于“空载”模式,产生的热能恰好使反应堆保持运行温度。这种反应堆设计,基建成本低,使之经济可行。

固有安全

FLEX公司的安全理念是,凭借这种技术的基本特性,重点在于减少或消除多重的重大危害,并与各种非能动安全措施共同管控剩余的风险。在正常运行期间,FLEX反应堆不需要任何“能动”措施维持核安全。与其他反应堆技术比较,这种方法有很大的安全优势,因为后者高度依赖能动的安全系统处于正常后备、维护并保持运行状态。

FLEX反应堆概念设计排除了许多危害,消除了各种风险,无需添加工程解决方案,予以控制或缓解。因此FLEX反应堆靠设计保证基本安全。

多用途的热能

FLEX反应堆出口熔盐冷却剂温度高达750°C,可直接用于联网和离网发电,也可有以下其他应用,包括:

• 工业过程或区域供暖的直接输入热源(欧洲工业使用的所有热能温度, 2/3低于700°C)。

• 高温电解热源,合理高效的清洁制氢气;也支持更有效的热化学制氢,而且氢本身就可用作:

o 工业上天然气的直接替代品

o 重型卡车的燃料电池

o 合成燃料的原料,包括航运中燃油替代品的氨

• 海水淡化装置的能源。

此外,还可把FLEX反应堆用于海航业,主要是船舶推进。

3. FLEX型反应堆的现场配置

典型的现场可包含任何数量模块化的FLEX反应堆配置。每个堆热功率为40 MW,相当于16 MWe。例如,16个机组的阵列可与GridReserve©储热设备耦合,在每天网络(电/热网)最艰难的8小时期间提供768 MWe的热能。

FLEX反应堆的热输出,通过管道系统内的熔盐传输给核岛外侧的GridReserve©储罐。储存的熔盐可用来产生超热蒸汽,驱动传统的汽轮机发电。这是可能的配置,因为与传统的反应堆设计比较,FLEX反应堆的安全性与储热和发电机组提供的“热阱”是完全分离的。衰变散热系统是完全“非能动”的,利用“自然对流”,无需“机动”部件。此外,由于不需要与安全相关的干预和维护,典型FLEX型反应堆厂址的接入点数量比传统核电站更少,减少了核安全保障的风险。

4. 反应堆

FLEX型反应堆在概念、结构和运行方面,与传统的熔盐堆设计有很多不同。两者的燃料和主冷却剂都是熔盐,通过仔细选择熔盐的化学成分,控制腐蚀,防止氧化和浸析。但FLEX反应堆的燃料盐装细钢管内,每根细钢管插入单独的石墨基质慢化剂孔道中,构成反应堆堆芯。堆芯坐落在充满主冷却剂熔盐的反应堆箱型容器内。反应堆箱型容器置于地下混凝土井内,上有混凝土防护块覆盖。

初装入堆的核燃料运行16-25年,可能还有两次换料,使反应堆总寿命长达75年。正常运行期间,核燃料产生的热能,通过充满反应堆箱型容器的主冷却剂熔盐自然对流循环,从堆芯传输出去。剩余的衰变热,通过反应堆箱体周围的空气自然循环,连续排出。这些非能动的热传输机制,确保不需要能动系统或泵,就能排出热能或停关闭反应堆。


图3:FLEX反应堆剖视图

5. 核燃料

反应堆堆芯由石墨砌体中的核燃料细棒阵列组成,而石墨块占据箱体容器的大部分。每根燃料细棒插在单独的石墨砌块孔道中,熔盐主冷却剂就在燃料细棒与石墨孔道间流过。

燃料盐

FLEX反应堆的核燃料是液态低浓缩铀(浓缩度6%)氟化物盐,装在专利的、带排气的燃料细管内。熔盐燃料通过自然对流在燃料管内循环,有利于热量通过管壁传递给细管外围的熔盐冷却剂。燃料盐的化学性能是通过铀氧化态组合稳定氧化还原的,在与氟化钠稀释剂共晶混合物中充当氧化还原缓冲剂,能维持氧化还原电位,中和整个反应堆寿期内产生的潜在腐蚀性的裂变产物。

核燃料盐不与周边的石墨接触,也不需要强制从反应堆堆芯进入热交换器。

燃料盐一直与冷却剂盐保持分离。冷却剂盐是另一种氟化物盐,用来传输反应堆产生的热能。然而,它们有可能互熔,并从根本上改变堆芯损伤的效应。在传统反应堆内,堆芯损坏导致反应堆进入非常危险的状态。但在FLEX反应堆内,即使严重的堆芯损坏,仍然会使反应堆转入安全状态。例如,核燃料细管的缺陷会引起管壁破裂,因为燃料盐将稀释在大体积的冷却剂熔盐内,导致堆芯反应性降低。因此,堆芯损坏不会增加核电站工作人员或周边公众受到照射的可能性。


图4:堆芯石墨砌体与和燃料细棒

裂变气体排出

在FLEX反应堆内,大部分裂变产物立即被捕获,成为不挥发的盐,并保留在燃料细管内的燃料盐内。挥发性的裂变气体没有立即被燃料盐捕获,会通过一系列气泡捕集器,寿命较短的放射性同位素会在捕集器内衰变,它们的衰变产物会困在燃料盐内。最危险的放射性裂变气体(氙-137衰变为有害的铯-137),几乎完全包含在气泡捕集器内。

气泡器内出现的主要放射性气体是氪-85。在反应堆换料周期内,这些气体会积累在反应堆气体空间。由于它的半衰期为10年,停役时很多仍会存在。由于是惰性气体,没有生物积累,一般的做法是把氪-85稀释到微不足道的浓度,排入大气。

然而,MoltexFLEX公司更倾向于捕获并储存这种气体,直到几乎完全衰变,大概需要50年。


图5:核燃料细棒组件

6. 非能动控制系统

换料后,堆内后备反应性过大,要立即借助另外的中子吸收剂“中和”。这种吸收剂可熔于熔盐冷却剂,并通过定期注入系统添加到主冷却剂内。这种中子吸收剂燃烧得很慢,要每隔几周或几个月补充一次。

为响应电力需求的变化,借助类似于普通水银温度计、内充液态中子吸收剂的新颖专利机制,提供反应性变化的精细控制。冷却剂温度上升,这种机制会非能动地降低堆芯反应性,使反应堆能在不需要运行人员任何干预的情况下,安全地响应反应堆传输给热交换器热量的变化。

7. 余热排出系统

核燃料细管便于燃料盐与外围冷却剂盐之间热传递,冷却剂盐工作温度高达770°C。加热时,通过石墨砌体通道,自然对流上升到反应堆顶部。热的主冷却剂进入热交换器,冷却后返回堆芯底部,完全靠非能动地“自然对流”。

FLEX反应堆的高温输出,可与GridReserve©相结合。GridReserve©就是个储热系统,把反应堆输出的热能储存在大型熔盐罐内。这些盐以后可用来产生蒸汽,进而通过传统的发电装置,按照正常工业安全标准发电。每天电力需求高时,GridReserve©可使发电装置输出反应堆额定功率几倍的电力。

这个系统的众多优点之一是,储存熔盐的流动无需反应堆操纵员控制。因为反应堆非能动地调节出力,发电装置的运行人员不必担心改变或停止发电装置,对核反应堆运行有什么影响。

冷却剂盐

传统核反应堆使用的冷却剂存在严重的安全隐患。例如,因部件故障压力下降,水可“闪蒸”成蒸汽。用钠作冷却剂的设计曾引起火灾。任何高压气冷堆必须有安全系统,以管控压力边界出现破口,进而导致堆芯失冷的后果。因此,从现有反应堆学到的主要经验是,使用化学和物理上稳定的常压冷却剂,如熔盐。

FLEX反应堆使用专利的铝氟化物和钠氟化物共晶混合物作为主冷却剂。类似的盐混合物已在铝冶炼行业用了几十年,确信它与石墨慢化剂没有相互作用。

熔盐对金属的腐蚀是业内长期存在的难题。在冷却剂盐内熔入少量的铝,清除任何可能泄入堆内的氧气,可防腐蚀。

剩余发热

非能动排出余热系统(RHRS)连续运行,排出的热量占反应堆额定功率的0.5%。为实现系统完全“非能动”,值得承受这点损失。它利用空气自然对流,冷却反应堆箱体外层的底部、两侧和顶部。局部温度限制在300 ~ 400 °C。反应堆箱体外侧与堆坑壁之间的空间,分为内部和外部风管,作为冷空气产生的进、出口。而后,空气排入反应堆厂房(见图6)。


图6:余热排出系统

如果反应堆额定功率运行时完全停止“散热”,最初的高衰变热会使反应堆升温,比正常运行温度高约50°C。此后,通过RHRS连续排出0.5%的额定热能,直到温度足够低,相对运行温度下降的反应性温度,足以重返临界状态。之后反应堆稳定在满功率的0.5%,直到电厂运营者需要更多的热量为止。

见解与思考

稳定熔盐堆(SSR)是英国化学家、Moltex能源公司董事会主席伊恩·斯科特(Ian Scott)的发明,目标是“让清洁能源比化石燃料更便宜”。SSR有熔盐堆的一切优势,是典型的先进堆;但把熔盐燃料的发热与冷却功能“分离”,仅用来取代水冷堆燃料组件的固态燃料芯块,避开了熔盐堆最棘手的挑战,看起来就像传统水冷堆(PWR、BWR)那么熟悉又简单……

FLEX型稳定熔盐堆是Moltex能源公司稳定熔盐热谱堆(SSR-U)设计[5]的简化和改进。它简化到极致,只剩下“核岛”部分,仅靠固有、非能动设计系统“自然循环”运行。凡有可能发生放射性异常的系统,均无“运动”部件;与核控制区外的储热与常规发电部分“耦合”,致使整个现场成为比设计核容量高数倍、可调度的“储能”设施。

FLEX型SSR有几个专利设计,还没有给出详细的设计参数。但几个参数令人印象深刻:

—初装核燃料为低浓铀(6%)氟化物盐,几乎与传统轻水堆的核燃料浓缩度相同;

—换料周期20-25年,电厂寿命75年;

—石墨慢化剂;

—可提供750℃的热能;

—募集私有资金建造,不靠国家资助;

—500 MW核电厂的建设工期仅24个月;

—发电成本与风力发电相当……

在国际上,水冷PWR/BWR小型模块式反应堆(SMR),NRC已给NuScale和BWRX-300型设计颁发许可,第四代核能和先进SMR开发已集中在高温冶金后处理工艺和熔盐堆,再花费时间和资源开发其他类型的先进堆,价值不高。研究、开发SSR型热谱和快谱堆是发展先进SMR的捷径,值得组织核能界深入探讨、研究。

资料与注释

[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:依靠物质/物体固有本性等自然规律确保安全,如水往低处流,冷热空气对流……

非能动安全,passive safety:毋需依赖外部输入而执行功能的;其功能的执行是在感受到某种参数,如压力、温度、流量的变化后完成的;基于不可逆动作或变化又十分可靠的,也属此类。

[4] GridReserve©,Moltexn能源公司设计的电(热)网储能设施,特指熔盐(太阳盐)储热罐及附属的管网设施(泵、阀等)。

[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.




责任编辑: 李颖

标签: FLEX型稳定熔盐热谱堆 英国Moltex能源公司

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