圖1. 藝術(shù)家印象中32個模塊堆陣列(512 MWe)、GridReserve©和汽輪發(fā)電機廠房，

整個現(xiàn)場裝機總量1.536 GWe的核電廠。

Moltex能源公司原首席商務官西蒙·牛頓(Simon Newton)曾說，這個公司的穩(wěn)定熔鹽堆將開創(chuàng)清潔、低成本能源的新時代[1]。

Moltex公司的英國科學家和工程師團隊專注于提供既清潔又負擔得起的能源，以應對氣候變化這個復雜的挑戰(zhàn)。這個公司的答案很簡單：Moltex設計了一種利用材料天然特性的核反應堆，使核反應以可控和安全的方式發(fā)生。反應堆設計使用標準材料，沒有運動部件，實質(zhì)上是安全的。它易于建造、安裝和運行，因此成本低于煤炭、石油或天然氣。

穩(wěn)定熔鹽鈾燃料反應堆(SSR-U)是一種熔鹽堆，熱譜運行，燃料中用的是低濃縮鈾(6%)。每個反應堆產(chǎn)生40 MW熱能。足以為大型城鎮(zhèn)提供電力，反應堆可以在不大的小場地上成排部署，以滿足城市中心不斷增長的能源需求。與傳統(tǒng)反應堆不同的是，SSR-U的出力“可調(diào)度”，意味著可以補充間歇性可再生能源的不足，而這通常由化石燃料承擔。

SSR-U產(chǎn)生750℃的熱能，還可取代工業(yè)生產(chǎn)過程中的化石燃料，通過高溫電解生產(chǎn)清潔、低成本的氫氣。

SSR-U核島簡況

SSR-U型反應堆是熱譜堆，但在概念、結(jié)構(gòu)和運營方面，與傳統(tǒng)設計都不相同，也與2018年提供IAEA的設計描述有很大差別[2]。

SSR-U的核燃料和主冷卻劑都是熔鹽。熔鹽核燃料類似傳統(tǒng)反應堆的固態(tài)燃料芯塊，裝在組件的細鋼管內(nèi);每根細鋼管插在石墨基質(zhì)慢化劑的單獨孔道內(nèi)，形成反應堆堆芯。堆芯和主熱交換器裝在充滿主冷卻劑的反應堆箱體容器內(nèi)。這個容器放置于地下混凝土井內(nèi)，上面覆蓋著混凝土屏蔽塊。

圖2. SSR-U反應堆核島廠房結(jié)構(gòu)

最初裝載的核燃料在堆內(nèi)停留20年(反應堆預期壽命60年，有兩次換料)。通過細鋼管內(nèi)的熔鹽燃料和管外的主冷卻劑熔鹽自然對流循環(huán)，把核燃料產(chǎn)生的熱量傳輸出堆芯。如果這一過程因任何原因停止，堆芯溫度將會上升，像任何核反應堆一樣，反應性將會下降。與傳統(tǒng)反應堆設計不同的是，SSR-U不需要能動的系統(tǒng)或泵排出堆芯熱能或停堆。

其他的熔鹽堆設計，鹽既充當燃料又充當冷卻劑，始終靠泵迫使主冷卻劑貫穿整個系統(tǒng)，腐蝕是個嚴重挑戰(zhàn)。Moltex設計的獨特之處在于，燃料鹽與冷卻劑鹽是分離的，可以根據(jù)各自的職能任務進行調(diào)整。通過對每種鹽使用不同的氧化還原控制機制，Moltex可以克服這些難題，甚至可使用標準鋼材建造反應堆。

Moltex位于沃靈頓(Warrington)的實驗室擁有一支20名物理學家、化學家、冶金學家和工程師組成的團隊，致力于輔助研發(fā)工作。他們正在驗證用于SSR-U熔鹽的腐蝕性能。

SSR-U的設計簡單，核島主系統(tǒng)沒有運動部件，固有的安全特性導致基建成本較低。除了每隔20年給每個反應堆裝/卸核燃料外，運營商幾乎不需要做任何事情，這使得運行成本非常低。

SSR-U的用途

從單臺到大量模塊的核電廠，這種核電裝置能對經(jīng)濟的各方面“脫碳”做出貢獻：

▲聯(lián)網(wǎng)、離網(wǎng)提供清潔電力;

▲制氫，直接用作燃料或燃料電池的燃料;

▲為能源行業(yè)提供低碳排放的熱能;

▲特殊應用，如海航推進和海水淡化。

能源生產(chǎn)是全球最大的經(jīng)濟活動，同時驅(qū)動經(jīng)濟發(fā)展。到2100年，全球人口可能達到110億，國際社會面臨既要減少化石燃料使用，又要支持經(jīng)濟發(fā)展宏圖的兩難困境。

應對這兩個挑戰(zhàn)的唯一途徑是開發(fā)更清潔的能源，因此SSR-U的潛力巨大。它成本低、配置數(shù)量可擴展，而且溫度高，同時適用于發(fā)達國家和發(fā)展中國家，適應性廣泛。

SSR-U的下一目標

Moltex公司開發(fā)SSR-U的活動仍在繼續(xù)。目前這項技術(shù)已經(jīng)公開，還在英國本土設立MoltexFLEX公司專事輔助研發(fā)，并負責尋求頒發(fā)許可、建造第一批機組的管轄過程[3]。

英國政府“更新”的能源戰(zhàn)略，表明它在重新關(guān)注核能，希望到2050年裝機總量達到25 GW或更多。Moltex希望充分利用這種新的熱情，但所需的支持不是財務方面：這是個小型堆，可輕易獲得私人資本的支持。

MoltexFLEX公司需要英國政府提供與監(jiān)管機構(gòu)接觸的渠道、合適的廠址，以及與項目成本和工程進度相協(xié)調(diào)的取照和協(xié)調(diào)爭議的監(jiān)管規(guī)范。有適當?shù)闹С郑陀锌赡茉谶@十年期末(計劃在2029年前)建成首個反應堆，在30年代中期部署一個“堆群”。

見解與思考

英國Moltex能源公司開發(fā)的穩(wěn)定熔鹽堆(Stable Salt Reactor, SSR)，與世界各地正在開發(fā)的所有其他熔鹽堆有本質(zhì)區(qū)別，但其燃料組件與現(xiàn)代、傳統(tǒng)的水冷堆類似：強放射性的熔鹽燃料限制在燃料細棒內(nèi)，由另外的獨立、非放射性的冷卻劑將熱能從反應堆堆芯傳輸給主熱交換器。

SSR在任何可能的情況下，都可用核工業(yè)驗證過、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容易、更快速。

SSR-U型熱譜堆設計有重大改變。從9月29日起，由其子公司MoltexFLEX負責，改稱FLEX型反應堆。目標是，迅速把FLEX型反應堆推向市場，迅速在全球部署這種“堆群”[4]。

圖3. SSR燃料細棒與排氣口(左)，SSR熱傳輸回路(中)

與GridReserve©支持的間歇性可再生能源(右)示意圖[5]。

FLEX反應堆設計擴大了“固有安全”理念，堆芯是熱工流體“自然循環(huán)”、沒有運動部件的低壓系統(tǒng);規(guī)模只是傳統(tǒng)核能的“核島”部分，與核監(jiān)管相關(guān)的設施少;主冷卻劑出口溫度高達750℃，有潛力提高能源轉(zhuǎn)換效率，大大降低基建和運營成本;與電網(wǎng)儲備(Grid Reserve)耦合，成為外網(wǎng)可調(diào)度、輔助間歇性可再生能源系統(tǒng)的“調(diào)峰”容量。

SSR-U型熱譜堆設計成就“靚麗”，值得關(guān)注：

▲熱譜，石墨慢化劑，初裝核燃料濃縮度僅6%，但換料周期20年;

▲僅靠主熱交換器——二次熱交換器“位差”，實現(xiàn)“核島”回路系統(tǒng)熱傳輸;

▲核島設計與電網(wǎng)儲備設施耦合，可使電廠調(diào)峰能力擴大3倍;

▲24個月建成500MWe的電廠，發(fā)電成本40英鎊/MWh。

在當前世界氣候危機加劇、國際與國內(nèi)能源轉(zhuǎn)型窘途中，調(diào)集科技人才，開發(fā)MSR，特別是SSR，是急迫，但有基礎也可能獲得突破的新能源技術(shù)……

資料與注釋

[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.