據(jù)世界核新聞(WNN)等多家媒體網(wǎng)站報(bào)道，美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)6月13日針對(duì)凱洛斯能源公司(Kairos)在田納西州橡樹(shù)嶺科技園區(qū)建造赫爾墨斯(Hermes)熔鹽實(shí)驗(yàn)裝置的申請(qǐng)，發(fā)布了它的最終安全評(píng)估報(bào)告(FSER)[1]。據(jù)Kairos預(yù)計(jì)，可能將在今年晚些時(shí)候獲得同類首個(gè)反應(yīng)堆的建造許可證;該實(shí)驗(yàn)裝置將于2026年投入運(yùn)行。而最新的進(jìn)展很可能是，同年在橡樹(shù)嶺科技園區(qū)建成70MWt KP-FHR型核電廠。

位于橡樹(shù)嶺科技園區(qū)的Hermes示范設(shè)施效果圖

NRC的評(píng)估結(jié)論是，沒(méi)有任何安全方面的因素能阻礙給這個(gè)反應(yīng)堆頒發(fā)建造許可證。此前，NRC獨(dú)立的反應(yīng)堆安全咨詢委員會(huì)提供了它的審查結(jié)果，建議批準(zhǔn)Hermes示范堆建造許可。

Kairos于2021年9月和10月分兩部分提交建造許可申請(qǐng)。但早在2018年開(kāi)始，即與NRC進(jìn)行了廣泛的申請(qǐng)前的接觸。據(jù)NRC核反應(yīng)堆監(jiān)管辦公室主任安德莉亞·尼爾(Andrea Veil)說(shuō)，NRC于2021年11月接受Hermes CPA(Construction Permit Application)的審查，承諾加快21個(gè)月的審查時(shí)間表，并在18個(gè)月內(nèi)完成審查，計(jì)劃遠(yuǎn)遠(yuǎn)提前。她說(shuō)，“這反映NRC在提高效率的同時(shí)，采用‘風(fēng)險(xiǎn)預(yù)知’(risk-informed)的方法，維護(hù)安全的承諾。”

Kairos負(fù)責(zé)監(jiān)管事務(wù)的副總裁彼得•黑斯廷斯(Peter Hastings)說(shuō)，“我們很高興與NRC本部人員密切合作，完成了一項(xiàng)徹底、高效和創(chuàng)新的審評(píng)，這對(duì)未來(lái)部署先進(jìn)堆令人鼓舞。”“我們期待繼續(xù)與NRC本部人員和委員會(huì)密切合作，支持批準(zhǔn)最終環(huán)境影響報(bào)告書(shū)，并完成強(qiáng)制性聽(tīng)證會(huì)。”

Kairos正在采取“快速迭代”的研發(fā)方法，降低商用化道路上的風(fēng)險(xiǎn)，并為建筑和施工建立信心[2]。在未來(lái)，還必須提交單獨(dú)的運(yùn)行許可證申請(qǐng)。它說(shuō)，Hermes建造許可申請(qǐng)?jiān)跒檫\(yùn)行許可申請(qǐng)奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而為未來(lái)商業(yè)部署的許可證申請(qǐng)?zhí)峁┙?jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

Hermes就是這個(gè)公司熱功率35 MW、不發(fā)電的氟鹽冷卻高溫堆(KP-FHR)，所用的核燃料是TRISO(三重結(jié)構(gòu)各向同性)顆粒燃料球，冷卻劑為低壓氟鹽。美國(guó)能源部選中它作為示范堆，按照先進(jìn)堆示范規(guī)劃，七年內(nèi)獲得6.29億美元成本分擔(dān)撥款，以降低風(fēng)險(xiǎn)，旨在為商業(yè)部署更大型的KP-FHR提供運(yùn)行數(shù)據(jù)。

示范堆選址在橡樹(shù)嶺的東田納西科技園區(qū);據(jù)2022年底宣布的協(xié)議，TRISO燃料球?qū)⒂陕逅拱⒗箛?guó)家實(shí)驗(yàn)室的低濃燃料加工設(shè)施生產(chǎn)。Kairos公司還委托一家工廠與Materion公司合作，生產(chǎn)高純度氟鹽冷卻劑，稱之為氟鋰鈹(Flibe)。該公司在另一份聲明中說(shuō)，位于俄亥俄州埃爾莫爾(Elmore)的熔鹽凈化廠現(xiàn)已將第一批冷卻劑運(yùn)交新墨西哥州阿爾伯克基市(Albuquerque)凱洛斯能源公司的試驗(yàn)設(shè)施，以支持工程測(cè)試單元(ETU)的運(yùn)行。

Hermes建造許可申請(qǐng)安全評(píng)估概要[3]

安全評(píng)估文件，記錄NRC本部人員對(duì)凱洛斯能源公司(Kairos)2021年9月29日提交的建造許可申請(qǐng)的技術(shù)審查。申請(qǐng)的是赫爾墨斯(Hermes)試驗(yàn)堆裝置，計(jì)劃建在田納西州的橡樹(shù)嶺。

該試驗(yàn)堆支持Kairos的氟鹽冷卻高溫堆(KP-FHR)的技術(shù)開(kāi)發(fā)。它是35 MWt的熱譜堆，使用嵌入碳基球中的TRISO燃料顆粒，內(nèi)含高含量低濃縮鈾(HALEU)。這個(gè)堆用氟化物熔鹽冷卻劑構(gòu)成球床，主要借助耐高溫的TRISO顆粒燃料實(shí)現(xiàn)功能性安全密封。

NRC反應(yīng)堆安全咨詢委員會(huì)獨(dú)立審查了申請(qǐng)中涉及安全的方方面面，并在2023年5月16日的報(bào)告中向核管會(huì)提供了審查結(jié)果。

這次安全評(píng)估，依據(jù)Kairos截至2023年2月提交的信息，展示NRC本部人員對(duì)Hermes施工許可申請(qǐng)的審查意見(jiàn)。據(jù)此，本部人員確定Hermes試驗(yàn)堆的初步設(shè)計(jì)和分析，包括主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);設(shè)計(jì)基準(zhǔn);與建筑材料和總體布置相關(guān)的信息;以及對(duì)設(shè)施的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件的設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行的初步分析和評(píng)價(jià)：(1) 為最終設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)基準(zhǔn)提供了合理保證;(2) 包含足夠的安全余量;(3) 描述的構(gòu)筑物、系統(tǒng)及部件，能防止各種事故并緩解事故的后果;(4) 滿足適用的監(jiān)管要求及核管會(huì)導(dǎo)則。

KP-FHR的核燃料、反應(yīng)堆本體剖面與主要技術(shù)參數(shù)(IAEA 2020)

KP-FHR蒸汽循環(huán)原理圖

反應(yīng)堆安全咨詢委員會(huì)的“結(jié)論和建議”

1. Hermes設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性包括反應(yīng)堆的熱功率低，使用TRISO燃料，氟鋰鈹(Flibe)冷卻劑作為有效的功能性密封(functional containment)，而且有非能動(dòng)散熱能力。相對(duì)監(jiān)管選址標(biāo)準(zhǔn)，總體設(shè)計(jì)預(yù)期的劑量后果有很大裕度，允許使用獨(dú)特的安全分級(jí)方法。

2. 由于氟鹽冷卻高溫堆技術(shù)的首創(chuàng)性質(zhì)，存在性能不確定性。這在Hermes運(yùn)行期間可最直接解決。

●像Hermes這樣規(guī)模的示范設(shè)施，對(duì)測(cè)試這種技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要素、設(shè)計(jì)特征、安全功能和設(shè)備性能很有價(jià)值。

●關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)設(shè)施內(nèi)鈹和氚氣溶膠的管理，使之低于相關(guān)法規(guī)的限值，保護(hù)工作人員的安全。

3. 正如NRC本部人員在評(píng)估報(bào)告中指出的，相信這個(gè)設(shè)施可以按照有關(guān)法規(guī)和初步安全分析報(bào)告(PSAR)中概述的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行建造。詳細(xì)的設(shè)計(jì)、分析和技術(shù)規(guī)格，將在運(yùn)行許可證(OL)審查之前完成。與石墨氧化有關(guān)的可燃?xì)怏w問(wèn)題，應(yīng)包括在這些評(píng)審中。

4. 應(yīng)批準(zhǔn)Hermes的建造許可證。

背景

Hermes設(shè)施是個(gè)35 MW的試驗(yàn)堆，將根據(jù)10 CFR第50.21部分“104類許可證”獲得許可;這個(gè)反應(yīng)堆不發(fā)電，將作為一定規(guī)模的示范設(shè)施，測(cè)試和證實(shí)KP-FHR技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要素、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、安全功能和設(shè)備性能。NRC反應(yīng)堆安全咨詢委員會(huì)將繼續(xù)支持先進(jìn)堆原型許可路線圖。NRC本部人員的“非輕水堆監(jiān)管審查路線圖”概述了這個(gè)路線圖。

Hermes使用核燃料即熔鹽冷卻劑內(nèi)的TRISO燃料球，和Flibe冷卻劑一起，奠定了強(qiáng)大、固有安全的高溫低壓系統(tǒng)。重要的固有安全特性包括：

● TRISO燃料球和Flibe冷卻劑提供功能密封;

● 主回路熱傳輸系統(tǒng)在近大氣壓下運(yùn)行;

● 負(fù)反應(yīng)性系數(shù)(燃料、慢化劑和冷卻劑溫度);

● 反應(yīng)堆容器和其他安全相關(guān)部件位于單獨(dú)的抗震結(jié)構(gòu)內(nèi)。

依照NUREG-1537 (頒發(fā)許可證的格式與內(nèi)容指南，以及NRC本部人員標(biāo)準(zhǔn)審查計(jì)劃)對(duì)非動(dòng)力堆提供的指南，NRC本部人員的安全評(píng)價(jià)(SE)對(duì)Kairos公司的PSAR進(jìn)行了逐條審查。此外，《NRC本部人員安全評(píng)價(jià)》附錄A有個(gè)清單，包括需要額外編制的建造許可證附加條件和設(shè)計(jì)、分析或管理要素。必須解決這些問(wèn)題，以支持Hermes的運(yùn)行許可證(OL)申請(qǐng)。

本文通過(guò)總結(jié)以下各點(diǎn)，討論Hermes設(shè)施的整體安全性：(a) 設(shè)計(jì)新穎或獨(dú)特特征;(b) 設(shè)計(jì)的主要安全功能及其實(shí)施;(c) 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、安全分級(jí)和縱深防御;(d) 假定事件選擇、后果分析和安全裕度;(e) 運(yùn)行可靠性;(f) 工作人員的安全;(g) 頒發(fā)運(yùn)行許可前仍有待完成的技術(shù)開(kāi)發(fā)活動(dòng)。

新穎或獨(dú)特的方面

赫爾墨斯(Hermes)的設(shè)計(jì)有許多新穎或獨(dú)特的方面，具體包括：

●第一個(gè)應(yīng)用功能密封的核反應(yīng)堆，功能密封定義為一個(gè)或一組屏障。在正常運(yùn)行、預(yù)期運(yùn)行事件和假想事故下，它們聯(lián)合在一起，限制放射性核素向環(huán)境的輸運(yùn)和釋放;

●首次應(yīng)用美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)鍋爐與壓力容器規(guī)范(BPVC)，第III節(jié)，第5部分高溫材料;

●燃料球和石墨反射體浮在Flibe冷卻劑中;

●TRISO燃料顆粒的“球殼”比德國(guó)和中國(guó)高溫堆中使用的球殼更薄;

●防虹吸裝置用于主熱傳輸系統(tǒng)冷端斷裂情況下，限制冷卻劑流失;

●失去強(qiáng)制循環(huán)，上部靜壓腔內(nèi)的四個(gè)流體二極管“激活”自然循環(huán);

●燃料球裝卸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提供燃料和慢化劑球的裝卸、分類和儲(chǔ)存。

相對(duì)于使用TRISO燃料、Flibe冷卻劑、球床堆芯和石墨慢化堆，Kairos能夠識(shí)別與其設(shè)計(jì)相關(guān)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

安全功能

Kairos公司確定了三種安全功能：限制放射性核素釋放、控制散熱和控制反應(yīng)性?？紤]到提供這些安全功能的系統(tǒng)為非能動(dòng)設(shè)計(jì)，在確定的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)事件期間不需要電源。這包括場(chǎng)外或任何備用電源的電力。此外，不需要運(yùn)行人員采取干預(yù)行動(dòng)，緩解任何設(shè)計(jì)基礎(chǔ)事件。

限制放射性核素釋放

Kairos使用“功能密封”概念，限制放射性核素釋放。這種方法從源頭控制放射性核素，使之密封在TRISO涂層內(nèi)的鈾碳氧化物顆粒燃料內(nèi)。在燃料球性能評(píng)估中，Kairos假想事故前的TRISO燃料顆粒失效水平，比能源部先進(jìn)氣冷堆TRISO燃料鑒定計(jì)劃中觀察到的水平高100倍。Flibe熔鹽也可作為防裂變產(chǎn)物釋放附加的固有屏障，因?yàn)樗鼘?duì)可能從燃料球中逸出的幾種裂變產(chǎn)物有很強(qiáng)的化學(xué)親和力(惰性氣體除外)。

綜上所述，這兩個(gè)固有的堅(jiān)強(qiáng)阻滯屏障，再加上反應(yīng)堆熱功率低，致使預(yù)期場(chǎng)址邊界處的劑量后果比監(jiān)管選址標(biāo)準(zhǔn)低很多。場(chǎng)址邊界的劑量也低于環(huán)境保護(hù)局(EPA)的保護(hù)行動(dòng)指南。安全裕度高、功能密封、非能動(dòng)衰變散熱、流體二極管和反虹吸特性，允許采用獨(dú)特的方法對(duì)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件(SSC)進(jìn)行分級(jí)。

Kairos選擇性地進(jìn)行了邊界計(jì)算，假設(shè)Flibe中產(chǎn)生的所有氚能通過(guò)熱交換器滲透并直接釋放到外環(huán)境，估算了該設(shè)施每年的氚釋放量。這些保守、簡(jiǎn)化的假設(shè)，證明符合10 CFR第20部分(輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn))的劑量限值。Kairos指出，它的設(shè)施有個(gè)氚凈化系統(tǒng)。預(yù)期這個(gè)系統(tǒng)能降低設(shè)施內(nèi)空氣中氚的濃度，保護(hù)工人，并能使每年向環(huán)境釋放氚的量遠(yuǎn)低于PSAR中提供的計(jì)算值。這就可減輕有些人對(duì)這個(gè)設(shè)施釋放氚的擔(dān)心。

熱排出控制

衰變熱排出系統(tǒng)(DHRS)是個(gè)非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)，有四個(gè)獨(dú)立的序列，反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量一旦達(dá)到目標(biāo)水平就會(huì)啟動(dòng)。DHRS有足夠的排熱能力，以確保反應(yīng)堆容器的溫度保持在設(shè)計(jì)限值以下，而且不會(huì)挑戰(zhàn)燃料的完整性。Kairos公司已證明，四個(gè)序列中的三個(gè)就有足夠的能力排出衰變熱。通過(guò)重力供水的水箱提供最終熱阱，熱虹吸套管可去除反應(yīng)堆容器的熱量，并將蒸汽排入廠房外的大氣。燃料球的衰變熱通過(guò)Flibe冷卻劑的自然循環(huán)傳到反應(yīng)堆容器壁，然后通過(guò)傳導(dǎo)和輻射傳給DHRS。水箱的大小可以提供長(zhǎng)達(dá)七天的非能動(dòng)冷卻，NRC本部人員已用自己的計(jì)算證實(shí)了水箱的大小。還計(jì)劃通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證運(yùn)算結(jié)果。NRC本部人員規(guī)定，必須在運(yùn)行試驗(yàn)大綱中檢查某些影響(例如，腐蝕和結(jié)垢，過(guò)渡期內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定性，以及運(yùn)行期間的動(dòng)態(tài)負(fù)荷)。

反應(yīng)性控制

用兩套不同的控制元件控制Hermes的反應(yīng)性。運(yùn)行期間，反射層內(nèi)的四個(gè)控制元件用于調(diào)整反應(yīng)堆功率;用三個(gè)停堆元件插入球床，停止反應(yīng)堆。在假定的事件場(chǎng)景下，三個(gè)停堆元件中的兩個(gè)，就足以維持足夠的停堆余量。計(jì)劃進(jìn)行測(cè)試，證明兩個(gè)系統(tǒng)都具有足夠的執(zhí)行能力。除了這些系統(tǒng)之外，燃料、慢化劑和冷卻劑都有很強(qiáng)、內(nèi)在的負(fù)溫度系數(shù)，可提供反應(yīng)性控制。

重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、安全分級(jí)和縱深防御

Kairos公司已確定并描述了確保反應(yīng)堆設(shè)施安全、防止放射性失控釋放所需構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件(SSC)的主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。Kairos用于Hermes設(shè)計(jì)獲得許可的方法，不用概率論方法確定取得許可的基準(zhǔn)事件、SSC分級(jí)和縱深防御評(píng)估。相反，對(duì)假想事件、單一故障準(zhǔn)則和最大假想事故(MHA)，采用確定論方法評(píng)定設(shè)施的安全性和SSC分級(jí)。在安全分析報(bào)告中只用了兩個(gè)SSC分級(jí)：“安全相關(guān)”和“非安全相關(guān)”。此外，考慮了一系列“假想事件”(與發(fā)生的頻率無(wú)關(guān))，用以核實(shí)最大假想事故(MHA)的影響僅限于設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)的邊界之內(nèi)。

Hermes設(shè)計(jì)的主要安全特性是TRISO燃料和反應(yīng)堆冷卻劑Flibe的獨(dú)特組合。其他與安全相關(guān)的SSC，包括反應(yīng)堆容器和內(nèi)部構(gòu)件、反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)、DHRS、燃料球裝卸與儲(chǔ)存系統(tǒng)的乏燃料儲(chǔ)存架，以及反應(yīng)堆建筑結(jié)構(gòu)的安全相關(guān)部分。NRC本部人員認(rèn)為，如上所述的這些系統(tǒng)，符合與其安全分級(jí)相稱、適用的條例和標(biāo)準(zhǔn);然而評(píng)估運(yùn)行許可證還需附加的設(shè)計(jì)和性能分析。

安全裕度大，可使用獨(dú)特的安全分級(jí)法。根據(jù)歷史實(shí)踐，相對(duì)于Hermes重要的安全特性，NRC反應(yīng)堆安全審評(píng)委員會(huì)對(duì)這種方法正確性的評(píng)估如下：

雖然反應(yīng)堆容器及其焊縫劃為安全級(jí)，但認(rèn)為主回路熱傳輸系統(tǒng)(PHTS)與安全無(wú)關(guān)，而且認(rèn)為對(duì)任何假想的事件，無(wú)需保持安全穩(wěn)定關(guān)閉。這種分級(jí)基于成功的設(shè)計(jì)，但流體二極管的性能與反虹吸特性還有待證明。反虹吸功能可防止反應(yīng)堆容器內(nèi)冷卻劑存量失去過(guò)多，以便在反應(yīng)堆容器外管道破裂的情況下，冷卻劑的液位保持在球床堆芯活性區(qū)以上。流體二極管允許反應(yīng)堆容器內(nèi)保持自然循環(huán)，把球床堆芯的熱量通過(guò)反射層傳給反應(yīng)堆容器和DHRS。

此外，Kairos公司建議使用“安全相關(guān)”的替代定義，把“反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的完整性”更改為“用以維持堆芯活性區(qū)上部反應(yīng)堆冷卻劑液位的反應(yīng)堆冷卻劑邊界部分完整性”。在Hermes設(shè)計(jì)中，除了反應(yīng)堆容器，并不把反應(yīng)堆冷卻劑邊界計(jì)入裂變產(chǎn)物滯留部位。因此，把反應(yīng)堆容器劃歸“安全相關(guān)”，而反應(yīng)堆冷卻劑邊界的其余部分劃歸“非安全相關(guān)”。這個(gè)修訂后的定義，適用于PHTS發(fā)生重大斷裂的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)事件，能應(yīng)對(duì)球床堆芯的持續(xù)冷卻和非能動(dòng)衰變散熱問(wèn)題。

這種方法可能在整體上削弱“縱深防御”和各種屏障(安全功能)的獨(dú)立性。此外，將PHTS管道分為“非安全相關(guān)”，表明該系統(tǒng)可能無(wú)法在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震中存活，可能會(huì)在噴嘴/管道界面處破裂，從而挑戰(zhàn)反應(yīng)堆容器的完整性。

一方面，對(duì)于首個(gè)這樣的反應(yīng)堆，PHTS的設(shè)計(jì)、分析和建造達(dá)到與反應(yīng)堆容器相同的質(zhì)量水平(ASME BPVC、第三節(jié)、第五部分、設(shè)計(jì)和施工以及第十一節(jié)，測(cè)試和檢查)，能增強(qiáng)信心，因?yàn)?熱或地震誘發(fā)的)大型管道破裂的概率較低。設(shè)整個(gè)主冷卻劑壓力邊界為“安全級(jí)”是歷史慣例，即使是低壓系統(tǒng)(如鈉冷快堆器)也是如此。

相比之下，從安全分析的角度來(lái)看，Hermes的安全分析，對(duì)PHTS滯留裂變產(chǎn)物不抱任何希望。而且，由于Flibe與潮濕空氣并不發(fā)生顯著的反應(yīng)，PHTS的管道不需要像鈉冷卻堆那樣，作為防止化學(xué)攻擊的屏障。因此，在這種獨(dú)特的情況下，由于熱功率低與功能密封相結(jié)合，對(duì)公眾的輻射后果有巨大安全裕度，無(wú)需基于額外的“縱深防御”和歷史實(shí)踐，提升PHTS的安全等級(jí)。對(duì)于其他采用功能密封的反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)，情況或許并非如此，每個(gè)反應(yīng)堆系統(tǒng)都應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行評(píng)估。

假想事件選擇、分析結(jié)果與安全裕度

Hermes事故分析評(píng)估了廣泛的假想事件，以建立最大假想事故(MHA)。這些事件的類別包括：(a) 反應(yīng)性插入;(b) 熔鹽溢出;(c) 失去強(qiáng)制循環(huán);(d) 燃料球裝卸與儲(chǔ)存系統(tǒng)故障;(e) 子系統(tǒng)或組件釋放出放射性物質(zhì);(f) 正常運(yùn)行的普遍性挑戰(zhàn);(g) 內(nèi)部和外部災(zāi)害(分別為火災(zāi)、淹沒(méi)、地震、風(fēng)災(zāi)和水災(zāi))。在每個(gè)事件類別中，檢查幾個(gè)特定事件，以確定事件的邊界場(chǎng)景。

事故分析還檢查了設(shè)計(jì)已排除的各種事件及排除的根本原因。考慮的事件包括反應(yīng)堆重返臨界或停堆故障、散熱能力降低、大量Flibe泄漏、在役的故障大于假設(shè)的故障、進(jìn)入大量空氣、DHRS腔室淹沒(méi)、插入過(guò)多的反應(yīng)性、與堆芯無(wú)關(guān)的臨界狀態(tài)、Flibe釋放過(guò)多的放射性核素，以及外部或內(nèi)部干擾安全相關(guān)SSC的各種事件。

對(duì)包含的每個(gè)事件，要用初始條件保守的假設(shè)、安全相關(guān)SSC的響應(yīng)(包括援引的單一失效準(zhǔn)則……)，以及瞬態(tài)特征，評(píng)估事故系統(tǒng)的響應(yīng)。從歷史上看，在高溫堆中，保持金屬結(jié)構(gòu)在允許溫度內(nèi)，一直是個(gè)問(wèn)題。Kairos進(jìn)行的瞬態(tài)分析表明，對(duì)于堆芯筒體和反應(yīng)堆容器，不銹鋼溫度限值的裕度約為100～150℃。燃料和控制棒材料也遠(yuǎn)低于它們相應(yīng)的溫度限值。

NRC本部人員對(duì)事件選擇和分析方法、假設(shè)和結(jié)果進(jìn)行了縝密的審查。在某些情況下，本部人員對(duì)同一事件進(jìn)行了范圍計(jì)算，以便對(duì)Kairos的計(jì)算結(jié)果獲得額外的信任。在運(yùn)行許可(OL)審查、“可燃?xì)怏w的產(chǎn)生與石墨-空氣氧化相關(guān)”完成之前，應(yīng)解決空氣侵入事件。

構(gòu)建的MHA限定了事故的時(shí)間-溫度輪廓(曲線)、邊界條件，而放射性核素的源項(xiàng)假設(shè)將導(dǎo)致計(jì)算的輻射釋放量，包括每個(gè)事件類別中每個(gè)事件邊界情景的放射性釋放量。

MHA事件假定了設(shè)想的時(shí)間-溫度歷史，其中(a)考慮了與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)的保守的緊急停堆以及與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)的觸發(fā)延遲二者的熱影響;(b)限定反應(yīng)堆內(nèi)的反應(yīng)性事件、過(guò)熱事件和過(guò)冷事件，以及另外假想的、不大具有挑戰(zhàn)性的堆外事件的初步計(jì)算。在源項(xiàng)評(píng)估中，考慮了TRISO燃料、石墨結(jié)構(gòu)中的氚和覆蓋氣體活化產(chǎn)生的Ar-41釋放的保守估計(jì)值。即使有這些假設(shè)，MHA在場(chǎng)址邊界導(dǎo)致的輻射劑量遠(yuǎn)低于選址準(zhǔn)則，也低于EPA的防護(hù)行動(dòng)指南。劑量主要來(lái)自氚和Ar-41，而不是裂變產(chǎn)物。

用于研究和試驗(yàn)堆的MHA，不考慮超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件，如預(yù)期的瞬態(tài)沒(méi)有停堆(ATWS)和全場(chǎng)斷電。如上所述，全場(chǎng)停電不是問(wèn)題，因?yàn)镠ermes執(zhí)行安全功能不需要電力。對(duì)于ATWS事件，其后果取決于反應(yīng)性插入的嚴(yán)重程度。然而，Hermes設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的負(fù)溫度系數(shù)，球床堆芯反應(yīng)性過(guò)多有限，能防止燃料損毀。我們已經(jīng)注意到，在其他先進(jìn)堆如EBR-II(金屬燃料鈉冷快堆)、AVR(德國(guó)球床高溫氣冷堆)和HTTR(日本高溫氣冷堆)上進(jìn)行的試驗(yàn)證明，類似的固有安全特性，已為這些技術(shù)的法規(guī)生效提供了獨(dú)特的數(shù)據(jù)。

運(yùn)行可靠性

與氟鹽冷卻高溫堆(FHR)技術(shù)相關(guān)的性能不確定性，多半在Hermes運(yùn)行期間直接解決。幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域包括：

● Flibe受照射期間在溫度梯度下的化學(xué)勢(shì)(即氧化還原反應(yīng))的控制能力;

● Flibe在允許范圍內(nèi)共晶點(diǎn)附近，防止粘度有害變化的成分控制能力;

● 由于腐蝕，鹽內(nèi)雜質(zhì)對(duì)核燃料性能的影響。

此外，F(xiàn)libe內(nèi)存在鈾雜質(zhì)和裂變產(chǎn)物，將產(chǎn)生有害的混合廢物(有害的鈹和放射性物質(zhì))。據(jù)Kairos說(shuō)，他們已確定了受污染Flibe的處置路徑。

電廠工人安全

Hermes主要工作人員的安全問(wèn)題，與設(shè)施內(nèi)空氣中氚溶膠的控制能力有關(guān)，因?yàn)殡皶?huì)通過(guò)高溫部件滲透出來(lái)，而保護(hù)工人在運(yùn)行、維護(hù)和檢查期間的安全，就要控制熔鹽中鈹?shù)膿]發(fā)性。因此，今后仍有兩個(gè)項(xiàng)目有待審議：(a) 是否需要一個(gè)系統(tǒng)，控制反應(yīng)堆廠房和堆殼內(nèi)(在維修活動(dòng)期間)空氣中鈹?shù)臐舛鹊陀趪?guó)家職業(yè)安全與衛(wèi)生研究所(NIOSH)短期受照限值;(b) 導(dǎo)出的空氣中氣溶膠的濃度(DAC)是否低于允許濃度，從而不需要個(gè)人防護(hù)設(shè)備，即可在維修期間保護(hù)工人免受反應(yīng)堆廠房與堆殼內(nèi)空氣中氚和鈹?shù)奈：Α?/p>

技術(shù)開(kāi)發(fā)

確定了許多正在進(jìn)行的研究和開(kāi)發(fā)活動(dòng)，因?yàn)橛斜匾_認(rèn)SSC設(shè)計(jì)的充分性，以便在建造竣工前解決安全問(wèn)題。這與確認(rèn)以下諸項(xiàng)有關(guān)：證實(shí)燃料球的性能;高溫材料鑒定和監(jiān)控;石墨氧化;計(jì)算機(jī)程序代碼生效;流體二極管的研制;源項(xiàng)分析用的熱力學(xué)和蒸氣壓相關(guān)的合理性;反應(yīng)堆關(guān)鍵工藝變量過(guò)程傳感器技術(shù)的開(kāi)發(fā);反應(yīng)堆冷卻劑化學(xué)監(jiān)測(cè)儀器的研制。Kairos說(shuō)，這些活動(dòng)將在建造完成之前完成。

由于這是支持施工許可證的初步安全分析報(bào)告，設(shè)計(jì)與相關(guān)分析的許多細(xì)節(jié)留在最終安全分析報(bào)告中是合理的。啟動(dòng)期間計(jì)劃的堆內(nèi)試驗(yàn)以及監(jiān)測(cè)和檢查細(xì)節(jié)尚未獲得，分析工具也未得到充分驗(yàn)證，安全分析的不確定性也沒(méi)有得到充分評(píng)估。Kairos承認(rèn)這種情況;NRC本部也在他們的審查中指出了這些項(xiàng)目，并在運(yùn)行許可審查或反應(yīng)堆初始啟動(dòng)期間跟蹤，直至問(wèn)題獲得滿意的解決。

總結(jié)

Hermes設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性包括反應(yīng)堆熱功率低，使用TRISO燃料和Flibe冷卻劑作為有效的功能密封，以及非能動(dòng)散熱能力?？傮w設(shè)計(jì)導(dǎo)致的預(yù)期劑量結(jié)果與監(jiān)管選址標(biāo)準(zhǔn)有很大裕度。由于FHR是個(gè)首創(chuàng)的技術(shù)，因此在Hermes的運(yùn)行過(guò)程中，性能的不確定性可直接解決。像Hermes這樣規(guī)模的示范設(shè)施對(duì)于測(cè)試這種技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)元素、設(shè)計(jì)特征、安全功能和設(shè)備性能有很大價(jià)值。委員會(huì)相信，這個(gè)設(shè)施可按相關(guān)法規(guī)和《戰(zhàn)略規(guī)劃報(bào)告》中概述的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行建設(shè)。Hermes的建筑許可證申請(qǐng)應(yīng)獲得批準(zhǔn)。

見(jiàn)解與思考

1. 開(kāi)發(fā)第四代核能系統(tǒng)，特別是熔鹽堆系統(tǒng)，是提升核能安全、解除社會(huì)公眾疑慮、啟動(dòng)非水冷核電建設(shè)的必由之路。解除社會(huì)公眾的疑慮，最根本的強(qiáng)有力手段是技術(shù)選擇和廠址選定準(zhǔn)則，確保核安全與周圍的環(huán)境和居民的健康。在這方面，核能界對(duì)第四代六個(gè)系統(tǒng)的分析、比較優(yōu)勢(shì)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越集中，甚至發(fā)展到海洋和太空。美國(guó)選定近期優(yōu)先開(kāi)發(fā)的七個(gè)堆型中，三個(gè)屬于熔鹽堆，另外兩個(gè)是泰拉能源公司的氟化物熔鹽快堆(MCFR)和陸地能源公司的一體化熔鹽堆(IMSR)[4]。

附圖. 氟鹽冷卻高溫堆(FHR)屬于熔鹽堆(MSR)類，但核燃料是高溫氣冷堆(HTGR)用的石墨球床TRISO顆粒燃料，兼?zhèn)涞谒拇四芟到y(tǒng)全部經(jīng)證實(shí)的特征，屬世界首創(chuàng)，是最成熟的先進(jìn)堆型。

2. 彌補(bǔ)、補(bǔ)充可再生能源的間歇性，核能，特別是先進(jìn)核能有獨(dú)到的、永久性的優(yōu)勢(shì)和適應(yīng)性。任何科學(xué)技術(shù)的生命力，最終是經(jīng)濟(jì)、成本的比較優(yōu)勢(shì)。在這方面，熔鹽堆的優(yōu)勢(shì)十分明顯。尤其是它不需要制造“固體燃料”，而且可用其他堆型不可避免產(chǎn)生的核廢料作為燃料，使其核燃料實(shí)際上“用之不竭”，而且邊際成本為零，類似于可再生能源。

但KP-FHR的乏核燃料是TRISO顆粒燃料石墨球，還沒(méi)有確定是否進(jìn)行“后處理”和“再循環(huán)”，其經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)暫時(shí)優(yōu)于天然氣發(fā)電成本。KP-FHR技術(shù)一旦成功示范，單堆的額定輸出功率范圍可擴(kuò)大到GWe級(jí)，規(guī)模經(jīng)濟(jì)成本顯著優(yōu)于正在運(yùn)行的現(xiàn)代輕水堆。

3. 在核能開(kāi)發(fā)方面，美國(guó)的積累最多，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)最為深厚，也走在世界各國(guó)的前列。我國(guó)核能界還比較清醒，繼續(xù)保持謙虛謹(jǐn)慎，不妄自尊大，如此才能看得更遠(yuǎn)，少走彎路。

4. 進(jìn)行“開(kāi)創(chuàng)性”堆型研發(fā)特別難，氟鹽冷卻高溫堆(FHR)和釷熔鹽堆(TMSR)都屬此類。盡管前面已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究和實(shí)驗(yàn)，但在結(jié)構(gòu)和材料方面有任何“開(kāi)創(chuàng)性”，示范和商用部署前都必須進(jìn)行驗(yàn)證，因?yàn)?ldquo;魔鬼在細(xì)節(jié)”中。對(duì)此，美國(guó)能源部科學(xué)辦公室對(duì)規(guī)劃中項(xiàng)目的處理具有代表性[5]。

5. 2023年7月，Kairos能源公司又向NRC提交在同一現(xiàn)場(chǎng)建造Hermes 2 示范電廠申請(qǐng)[6]。據(jù)ANS網(wǎng)站8月18日?qǐng)?bào)道，NRC已完成Hermes的環(huán)境審查，并明確“Hermes 2 Plant”由兩個(gè)35 MWt反應(yīng)堆組成，每個(gè)反應(yīng)堆的大小與最初的測(cè)試反應(yīng)堆相同，并共用一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)。“Hermes 2 Plant”將生產(chǎn)和銷售電力[7]。

橡樹(shù)嶺科技園區(qū)KP-FHR實(shí)驗(yàn)核電廠(裝機(jī)容量70 MWt/30.625 MWe)概貌

參考資料與注釋

[1] WNN, US regulators conclude Hermes safety review, 16 June 2023.

[2] Sonal Patel, NRC Completes Safety Review for Kairos Nuclear Test Reactor Within 18 Months, POWER, Jun 22, 2023.

[3] ML23130A183; U.S. NRC ADVISORY COMMITTEE ON REACTOR SAFEGUARDS, May 16, 2023.

[4] WNN, Kairos submits PSAR for Oak Ridge demonstration reactor, 05 October 2021.

[5] Tobias Mann, DOE digs up molten salt nuclear reactor tech, taps Los Alamos to lead the way back, 11 Aug 2022.

[6] ANS, Kairos applies for permit to build two-unit Hermes plant, Nuclear News, July 26, 2023.

[7] WNN, NRC completes Hermes environmental review, 18 August 2023.