FLEX型穩定熔鹽熱譜堆概述

英國Moltex能源公司2022年9月底宣布設立全資子公司MoltexFLEX有限公司，總部位于英國沃靈頓。它專(zhuān)職開(kāi)發(fā)FLEX型穩定熔鹽熱譜堆——一種先進(jìn)的核反應堆，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充。MoltexFLEX計劃在2029年前使其首堆投入運行[1,2]。

圖1:藝術(shù)家印象中32個(gè)FLEX型穩定熔鹽熱譜堆模塊陣列(512 MWe)+GridReserve©+汽輪發(fā)電機廠(chǎng)房，整個(gè)現場(chǎng)“可調度”裝機總量1.536 GWe。

1. 核心技術(shù)

FLEX型穩定熔鹽堆(SSR)是Moltex能源公司全球專(zhuān)利穩定熔鹽堆技術(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)區別。因為它們與傳統反應堆的燃料組件類(lèi)似，把強放射性的燃料鹽限制在燃料細棒內。獨立的、非放射性的熔鹽冷卻劑把熱能從反應堆堆芯傳輸給主熱交換器。

在其他MSR內，核燃料鹽也是冷卻劑。復雜的燃料鹽循環(huán)系統，包括泵、過(guò)濾器、調節裝置和熱交換器，與強放射性的核燃料鹽接觸，對這些部件提出了嚴峻的要求，使監控和維護非常有挑戰性。圖2說(shuō)明MSR類(lèi)型之間的關(guān)鍵區別。

圖2: 傳統熔鹽堆與穩定熔鹽堆的差異

2. 設計理念

簡(jiǎn)單

FLEX型SSR在設計時(shí)著(zhù)重簡(jiǎn)單性。它是小型和模塊化的，允許大多數部件在專(zhuān)業(yè)制造廠(chǎng)生產(chǎn)，便于運輸，減少現場(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)中得到驗證的、成熟的材料和技術(shù)，消除大量研究項目的需要，使安全和設計驗證更快、更容易。MoltexFLEX公司的目標是，讓清潔能源比化石燃料更便宜，迅速把FLEX反應堆推向市場(chǎng)，盡早在全球部署這種“堆群”。

低成本

傳統核電機組的建造和運營(yíng)成本已變得越來(lái)越昂貴，主要因為需要安全管理系統和程序的風(fēng)險。相比之下，FLEX反應堆是“固有安全”的。采用低壓系統，大大降低了安全密封的成本。它的運行安全是由“固有”(Inherently)和“非能動(dòng)”(Passive)[3]安全系統提供的，大大降低了基建和運行成本。FLEX反應堆的規模只是傳統核電站的一小部分，其設計成本與燃燒化石燃料相當。此外，FLEX反應堆的出口溫度高，有潛力提高能源轉換效率。

輔佐可再生能源

FLEX反應堆的特征是對需求變化響應速度快，支持間歇性可再生能源的能力強。FLEX反應堆的設計目的就是提供可調度電力，解決可再生能源供應間歇性難題。由于技術(shù)和經(jīng)濟原因，傳統的二/三代核電機組不適宜提供這種靈活性，由此產(chǎn)生的供應缺口通常由燃氣發(fā)電機組填補。

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

大量可再生能源長(cháng)時(shí)間發(fā)電期間，FLEX反應堆只需非能動(dòng)地處于“空載”模式，產(chǎn)生的熱能恰好使反應堆保持運行溫度。這種反應堆設計，基建成本低，使之經(jīng)濟可行。

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。在正常運行期間，FLEX反應堆不需要任何“能動(dòng)”措施維持核安全。與其他反應堆技術(shù)比較，這種方法有很大的安全優(yōu)勢，因為后者高度依賴(lài)能動(dòng)的安全系統處于正常后備、維護并保持運行狀態(tài)。

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

多用途的熱能

FLEX反應堆出口熔鹽冷卻劑溫度高達750°C，可直接用于聯(lián)網(wǎng)和離網(wǎng)發(fā)電，也可有以下其他應用，包括：

• 工業(yè)過(guò)程或區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(chē)的燃料電池

o 合成燃料的原料，包括航運中燃油替代品的氨

• 海水淡化裝置的能源。

此外，還可把FLEX反應堆用于海航業(yè)，主要是船舶推進(jìn)。

3. FLEX型反應堆的現場(chǎng)配置

典型的現場(chǎng)可包含任何數量模塊化的FLEX反應堆配置。每個(gè)堆熱功率為40 MW，相當于16 MWe。例如，16個(gè)機組的陣列可與GridReserve©儲熱設備耦合，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反應堆的熱輸出，通過(guò)管道系統內的熔鹽傳輸給核島外側的GridReserve©儲罐。儲存的熔鹽可用來(lái)產(chǎn)生超熱蒸汽，驅動(dòng)傳統的汽輪機發(fā)電。這是可能的配置，因為與傳統的反應堆設計比較，FLEX反應堆的安全性與儲熱和發(fā)電機組提供的“熱阱”是完全分離的。衰變散熱系統是完全“非能動(dòng)”的，利用“自然對流”，無(wú)需“機動(dòng)”部件。此外，由于不需要與安全相關(guān)的干預和維護，典型FLEX型反應堆廠(chǎng)址的接入點(diǎn)數量比傳統核電站更少，減少了核安全保障的風(fēng)險。

4. 反應堆

FLEX型反應堆在概念、結構和運行方面，與傳統的熔鹽堆設計有很多不同。兩者的燃料和主冷卻劑都是熔鹽，通過(guò)仔細選擇熔鹽的化學(xué)成分，控制腐蝕，防止氧化和浸析。但FLEX反應堆的燃料鹽裝細鋼管內，每根細鋼管插入單獨的石墨基質(zhì)慢化劑孔道中，構成反應堆堆芯。堆芯坐落在充滿(mǎn)主冷卻劑熔鹽的反應堆箱型容器內。反應堆箱型容器置于地下混凝土井內，上有混凝土防護塊覆蓋。

初裝入堆的核燃料運行16-25年，可能還有兩次換料，使反應堆總壽命長(cháng)達75年。正常運行期間，核燃料產(chǎn)生的熱能，通過(guò)充滿(mǎn)反應堆箱型容器的主冷卻劑熔鹽自然對流循環(huán)，從堆芯傳輸出去。剩余的衰變熱，通過(guò)反應堆箱體周?chē)目諝庾匀谎h(huán)，連續排出。這些非能動(dòng)的熱傳輸機制，確保不需要能動(dòng)系統或泵，就能排出熱能或停關(guān)閉反應堆。

圖3：FLEX反應堆剖視圖

5. 核燃料

反應堆堆芯由石墨砌體中的核燃料細棒陣列組成，而石墨塊占據箱體容器的大部分。每根燃料細棒插在單獨的石墨砌塊孔道中，熔鹽主冷卻劑就在燃料細棒與石墨孔道間流過(guò)。

燃料鹽

FLEX反應堆的核燃料是液態(tài)低濃縮鈾(濃縮度6%)氟化物鹽，裝在專(zhuān)利的、帶排氣的燃料細管內。熔鹽燃料通過(guò)自然對流在燃料管內循環(huán)，有利于熱量通過(guò)管壁傳遞給細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)組合穩定氧化還原的，在與氟化鈉稀釋劑共晶混合物中充當氧化還原緩沖劑，能維持氧化還原電位，中和整個(gè)反應堆壽期內產(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，也不需要強制從反應堆堆芯進(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。在傳統反應堆內，堆芯損壞導致反應堆進(jìn)入非常危險的狀態(tài)。但在FLEX反應堆內，即使嚴重的堆芯損壞，仍然會(huì )使反應堆轉入安全狀態(tài)。例如，核燃料細管的缺陷會(huì )引起管壁破裂，因為燃料鹽將稀釋在大體積的冷卻劑熔鹽內，導致堆芯反應性降低。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棒

裂變氣體排出

在FLEX反應堆內，大部分裂變產(chǎn)物立即被捕獲，成為不揮發(fā)的鹽，并保留在燃料細管內的燃料鹽內。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 )在捕集器內衰變，它們的衰變產(chǎn)物會(huì )困在燃料鹽內。最危險的放射性裂變氣體(氙-137衰變?yōu)橛泻Φ匿C-137)，幾乎完全包含在氣泡捕集器內。

氣泡器內出現的主要放射性氣體是氪-85。在反應堆換料周期內，這些氣體會(huì )積累在反應堆氣體空間。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：核燃料細棒組件

6. 非能動(dòng)控制系統

換料后，堆內后備反應性過(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)定期注入系統添加到主冷卻劑內。這種中子吸收劑燃燒得很慢，要每隔幾周或幾個(gè)月補充一次。

為響應電力需求的變化，借助類(lèi)似于普通水銀溫度計、內充液態(tài)中子吸收劑的新穎專(zhuān)利機制，提供反應性變化的精細控制。冷卻劑溫度上升，這種機制會(huì )非能動(dòng)地降低堆芯反應性，使反應堆能在不需要運行人員任何干預的情況下，安全地響應反應堆傳輸給熱交換器熱量的變化。

7. 余熱排出系統

核燃料細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770°C。加熱時(shí)，通過(guò)石墨砌體通道，自然對流上升到反應堆頂部。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“自然對流”。

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

這個(gè)系統的眾多優(yōu)點(diǎn)之一是，儲存熔鹽的流動(dòng)無(wú)需反應堆操縱員控制。因為反應堆非能動(dòng)地調節出力，發(fā)電裝置的運行人員不必擔心改變或停止發(fā)電裝置對核反應堆運行有什么影響。

冷卻劑鹽

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

FLEX反應堆使用專(zhuān)利的鋁氟化物和鈉氟化物共晶混合物作為主冷卻劑。類(lèi)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。

熔鹽對金屬的腐蝕是業(yè)內長(cháng)期存在的難題。在冷卻劑鹽內熔入少量的鋁，清除任何可能泄入堆內的氧氣，可防腐蝕。

剩余發(fā)熱

非能動(dòng)排出余熱系統(RHRS)連續運行，排出的熱量占反應堆額定功率的0.5%。為實(shí)現系統完全“非能動(dòng)”，值得承受這點(diǎn)損失。它利用空氣自然對流，冷卻反應堆箱體外層的底部、兩側和頂部。局部溫度限制在300 ~ 400 °C。反應堆箱體外側與堆坑壁之間的空間，分為內部和外部風(fēng)管，作為冷空氣產(chǎn)生的進(jìn)、出口。而后，空氣排入反應堆廠(chǎng)房(見(jiàn)圖6)。

圖6：余熱排出系統

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

見(jiàn)解與思考

穩定熔鹽堆(SSR)是英國化學(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，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，看起來(lái)就像傳統水冷堆(PWR、BWR)那么熟悉又簡(jiǎn)單……

FLEX型穩定熔鹽堆是Moltex能源公司穩定熔鹽熱譜堆(SSR-U)設計[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)設計系統“自然循環(huán)”運行。凡有可能發(fā)生放射性異常的系統，均無(wú)“運動(dòng)”部件;與核控制區外的儲熱與常規發(fā)電部分“耦合”，致使整個(gè)現場(chǎng)成為比設計核容量高數倍、可調度的“儲能”設施。

FLEX型SSR有幾個(gè)專(zhuān)利設計，還沒(méi)有給出詳細的設計參數。但幾個(gè)參數令人印象深刻：

—初裝核燃料為低濃鈾(6%)氟化物鹽，幾乎與傳統輕水堆的核燃料濃縮度相同;

—換料周期20-25年，電廠(chǎng)壽命75年;

—石墨慢化劑;

—可提供750℃的熱能;

—募集私有資金建造，不靠國家資助;

—500 MW核電廠(chǎng)的建設工期僅24個(gè)月;

—發(fā)電成本與風(fēng)力發(fā)電相當……

在國際上，水冷PWR/BWR小型模塊式反應堆(SMR)，NRC已給NuScale和BWRX-300型設計頒發(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，再花費時(shí)間和資源開(kāi)發(fā)其他類(lèi)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律確保安全，如水往低處流，冷熱空氣對流……

非能動(dòng)安全，passive safety：毋需依賴(lài)外部輸入而執行功能的;其功能的執行是在感受到某種參數，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(lèi)。

[4] GridReserve©，Moltex能源公司設計的電(熱)網(wǎng)儲能設施，特指熔鹽(太陽(yáng)鹽)儲熱罐及附屬的管網(wǎng)設施(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.