雙液流反應堆：能徹底“重塑”核能系統

英國核能雜志《國際核工程》8月24日發(fā)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(huán)分離的雙液流反應堆(DFR)設計，說(shuō)它能徹底重塑核能系統：堆芯緊湊，功率密度最高，經(jīng)簡(jiǎn)化經(jīng)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(kāi)發(fā)新型核能技術(shù)，關(guān)鍵因素是高效率。它開(kāi)發(fā)的雙液流反應堆(DFR)包含兩個(gè)循環(huán)流體，一個(gè)攜帶核燃料，另一個(gè)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(tài)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(shù)初創(chuàng )企業(yè)，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(fā)展的有利安排。Dual Fluid說(shuō)，“加拿大政府把SMR作為一項未來(lái)的技術(shù)來(lái)推廣”，“而且大多數人認為核電是個(gè)機遇。”

此外，“加拿大與德國不同，在核技術(shù)方面經(jīng)驗豐富，而且核專(zhuān)業(yè)知識從未間斷。”“最后但并非不重要的一點(diǎn)是，有個(gè)國際認可的核監管許可機構。”

LWR：不“完美”的技術(shù)

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(jià)值的高溫化學(xué)工藝”。

這種不那么“好”的技術(shù)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(yōu)勢：使用“固體”燃料棒的反應堆，非常適宜給潛艇提供動(dòng)力，而且可以簡(jiǎn)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(lái)，仍在使用同樣的輕水堆技術(shù)，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(méi)有商用開(kāi)發(fā)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(tài)鉛冷卻劑。上個(gè)世紀60年代，美國成功地運行了液體燃料的實(shí)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(xié)調。俄羅斯在上個(gè)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(huán)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(yōu)勢結合起來(lái)。關(guān)鍵的創(chuàng )新是在堆芯使用兩種液流。液態(tài)燃料可在約1000℃下發(fā)揮它的全部威力(典型的輕水堆，出口溫度為320℃)，而液態(tài)的鉛“專(zhuān)侍”熱傳輸。

DFR：功率密度高

Dual Fluid說(shuō)，在核技術(shù)領(lǐng)域，這個(gè)原理是全新的。決定性的優(yōu)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(huán)，可以使傳熱速度最佳。因此，可以讓高濃度的液態(tài)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(dòng)，顯著(zhù)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(tài)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(shí)中子通量過(guò)剩。這種堆與核燃料再循環(huán)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(guò)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(huán)的原理完全重新定義了核能。與液態(tài)核燃料再循環(huán)裝置相結合，裝入堆芯的所有核燃料都能有效地使用，無(wú)需最終“處置庫”。

雙液流原理不局限于SMR，但首次實(shí)現這個(gè)概念，最好是個(gè)SMR，額定功率約300 MWe，即DF300(見(jiàn)圖3)。

圖 3：300MWe型雙液流核電裝置(DF300)

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

更大的堆芯如DF1500型核電廠(chǎng)(1500 MWe/ 3000 MWt，見(jiàn)圖4)，核燃料裝載量更大，可在核電廠(chǎng)內附設個(gè)“乏燃料再循環(huán)裝置”，使電廠(chǎng)成為最簡(jiǎn)單、完整的核燃料閉環(huán)運行系統。

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

DFR的核燃料再循環(huán)工藝，與傳統的、基于PUREX工藝即濕法化學(xué)后處理系統有本質(zhì)的區別。在液態(tài)核燃料再循環(huán)裝置內，輕水堆的乏燃料首先轉化為液態(tài)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(yè)內是早就確立的工藝流程[3]。

Dual Fluid認為，這種基于高溫化學(xué)蒸餾再循環(huán)的方法，能充分利用任何可裂變材料，首次實(shí)現核燃料鏈真正的循環(huán)經(jīng)濟。

除發(fā)電之外，DF1500型核電廠(chǎng)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?，F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(kāi)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(fēng)力發(fā)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(chǎng)的能源投資回報率(EROI)是在整個(gè)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(jìn)性的終極考核指標。

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化石燃料發(fā)電廠(chǎng)的能源回報率約為30。太陽(yáng)能和風(fēng)能包括儲能，還都不到10。

雖然30倍的能源回報率使工業(yè)革命成為可能，足以供應今天的工業(yè)化國家，但退回到效率較低的技術(shù)等于倒退，能源將變得越來(lái)越稀缺和昂貴，可能導致生活水平下降?，F代、對人類(lèi)和自然友好的社會(huì )，必須努力以低成本、生態(tài)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(shí)現這一點(diǎn)。”

現代輕水堆的能源回報率約為100，意味著(zhù)它們的性能是化石燃料發(fā)電廠(chǎng)的三倍。聽(tīng)起來(lái)不錯的東西，實(shí)際上意味著(zhù)性能不佳，因為核裂變釋放的能量不是化石燃料燃燒過(guò)程的三倍，而是數百萬(wàn)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(jiàn)圖5)，80%的能源支出用來(lái)提供和處理燃料，即鈾的開(kāi)采和提煉以及燃料元件的生產(chǎn)、再循環(huán)和處置。這個(gè)數字太高，因為現代反應堆只能將開(kāi)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(chǎn)物混合，要作為核廢物“處置”。

圖5：在目前低效燃料循環(huán)下，典型輕水反應堆壽期能耗

因此，今天的LWR發(fā)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(fā)電廠(chǎng)的“比較”能源優(yōu)勢?？偟膩?lái)說(shuō)，核裂變的潛力大部分沒(méi)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(huì )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(lái)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(gè)例外，它選擇在固體燃料細棒中裝入液態(tài)燃料[4]。

雙液流反應堆設計，Dual Fluid稱(chēng)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(huán)裝置相結合，能把與燃料相關(guān)的能源消耗降到最少(見(jiàn)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(lái)說(shuō)，DF300型核電廠(chǎng)的能源消耗，可降到典型LWR的1/10，必然會(huì )降低成本。實(shí)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(chǎng))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(wú)論是鉛還是燃料鹽，都是一種熔融的液態(tài)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(xué)元素。對于傳統的反應堆技術(shù)和現代熔鹽概念，這可能是個(gè)問(wèn)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(yè)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(lèi)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(lái)，這些材料越來(lái)越多地用于極端條件下的工業(yè)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(gè)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(kāi)發(fā)任務(wù)”。

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(dòng)調節，這是通過(guò)非常“負”的反應性溫度系數實(shí)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(fā)生切爾諾貝利那樣的堆功率“暴漲”。

系統升溫超過(guò)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(jiàn)圖8)是燃料循環(huán)管路最低點(diǎn)附近“能動(dòng)”冷卻的管段。它靠外部“能動(dòng)”冷卻，局部?jì)鼋Y“隔離”下游出口。如燃料過(guò)熱，燃料冷凍塞“融化”，液態(tài)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(dòng)排出，不會(huì )發(fā)生日本福島那類(lèi)的事故。這個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統概念極為可靠，早在上個(gè)世紀60年代在美國熔鹽堆實(shí)驗裝置(MSRE)上已證實(shí)了它的價(jià)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(fā)生最嚴重事故時(shí)，出現與核燃料環(huán)路相關(guān)的泄漏，也不會(huì )有放射性物質(zhì)泄漏，進(jìn)入外環(huán)境。因為沒(méi)有顯著(zhù)的驅動(dòng)壓力，也不會(huì )發(fā)生爆炸。

連續生產(chǎn)路線(xiàn)圖

經(jīng)過(guò)十多年的基礎研發(fā)之后(主要在柏林固體核物理研究所進(jìn)行)，目前雙液流技術(shù)還處于“技術(shù)準備”階段，即TRL3。商業(yè)部署的下一步是“組件測試”，見(jiàn)圖9。

圖9：系列產(chǎn)品可能的大事年表(* 技術(shù)準備水平;** 預測)

作為獲得“許可”的基礎，Dual Fluid公司的學(xué)術(shù)合作伙伴，正在對系統的穩定性進(jìn)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(jìn)行，希望十年內建成原型裝置，隨后很快開(kāi)始批量生產(chǎn)。

見(jiàn)解與思考

人類(lèi)社會(huì )的進(jìn)步離不開(kāi)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(huán)境危機，“俄烏沖突”又凸顯了能源獨立的重要性。世界能源問(wèn)題的最終解決離不開(kāi)核能，形勢的演變強調發(fā)展核能的緊迫性。

世界對核能的認識，也在發(fā)生急劇的變化?，F代輕水堆技術(shù)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(jìn)堆。“第四代”核能系統中六個(gè)主流堆型，顯得有點(diǎn)“過(guò)時(shí)”，還在研發(fā)、建造鈉冷堆(SFR)和鉛冷堆(LFR)的寥寥無(wú)幾，但熔鹽技術(shù)和熔鹽堆卻如雨后春筍。

在熔鹽技術(shù)和熔鹽堆研發(fā)中，加拿大的IMSR在謹慎地“繼承”上個(gè)世紀60-70年代美國熔鹽堆實(shí)驗裝置(MSRE)的技術(shù)成果;美國和中國的MCFR 、FHR和TMSR已在探索、發(fā)展熔鹽堆新技術(shù);英國Moltex能源公司的SSR用成熟的LWR工程技術(shù)，消除了熔鹽堆令工程師“恐懼”的工程技術(shù)問(wèn)題;德國的雙液流反應堆(DFR)則用液鉛冷卻劑，把熔鹽堆技術(shù)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(jìn)性是其他非水冷先進(jìn)堆難以企及的。但推進(jìn)任何先進(jìn)堆概念，急需通過(guò)工程技術(shù)實(shí)踐加以證實(shí)。先要有個(gè)熔鹽堆和鉛冷堆實(shí)驗裝置“運轉”起來(lái)，證明各自的實(shí)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(lián)合的最優(yōu)化達到“極致”是水到渠成的事。

要使學(xué)界、工程界和核能企業(yè)普遍接受液態(tài)核燃料和液態(tài)鉛冷卻劑，像固體核燃料和輕水冷卻劑那樣，就要發(fā)揮學(xué)者、工程師和核能運行-維修人員三方的聰明和智慧，實(shí)行“三結合”，以盡快地讓熔鹽燃料和鉛冷技術(shù)“流行”起來(lái)。

好在從上個(gè)世紀60-70年代開(kāi)始，特別是近些年以來(lái)，核工程技術(shù)的巨大進(jìn)步，讓工程師們“恐懼”的難題有“解”了;耐高溫、抗腐蝕的材料“過(guò)關(guān)”了，嚴苛環(huán)境條件下運行參數的監督和控制工具開(kāi)發(fā)出來(lái)了，數字技術(shù)和異常問(wèn)題處理的人工智能和機械人技術(shù)正在成熟，各種現場(chǎng)環(huán)境條件下的運行和維護難題，可以及時(shí)得到解決，過(guò)渡到“極致”需要的時(shí)間，也許不會(huì )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(kāi)發(fā)的“里程碑”意義，《中國能源網(wǎng)》電力-核電，2020-05-29

[5] “種子輪”融資，也稱(chēng)“種子融資”，是最早階段進(jìn)行的融資方式。雖然大多數初創(chuàng )企業(yè)都依靠創(chuàng )始人自己的或其直系親屬和朋友的資金，某些企業(yè)也會(huì )尋求第三方的“種子融資”，這是一種最早期階段進(jìn)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(fā)展中心、新不倫瑞克電力公司達成合作協(xié)議，廠(chǎng)址選在該省唯一的坎杜堆核電站萊普瑞奧角(Point Lepreau)廠(chǎng)址上。目前已通過(guò)加拿大核安全委員會(huì )(CNSC)的“頒證前供應商設計審查”(VDR)三個(gè)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(fā)電;MCRE：即MCFR的原型堆實(shí)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(chǎng)，僅無(wú)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(kāi)工，計劃2026年建成發(fā)電。