FLEX型穩定熔鹽熱譜堆概述

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圖1:藝術家印象中32個FLEX型安穩熔鹽熱譜堆模塊陣列(512 MWe)+GridReserve©+汽輪發電機廠房，

整個現場“可調度”裝機總量1.536 GWe。

1.核心技能

FLEX型安穩熔鹽堆(SSR)是Moltex動力公司全球專利安穩熔鹽堆技能的熱譜(慢化)版，與其姊妹公司Moltex Energy Canada同享這種技能。后者正在開發快譜版的安穩熔鹽堆。

SSR與世界各地正在開發的全部其他熔鹽堆(MSR)有本質區別。由于它們與傳統反響堆的燃料組件類似，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響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。復雜的燃料鹽循環體系，包括泵、過濾器、調理設備和熱交換器，與強放射性的核燃料鹽觸摸，對這些部件提出了嚴峻的要求，使監控和維護非常有應戰性。圖2說明MSR類型之間的關鍵區別。

圖2:傳統熔鹽堆與安穩熔鹽堆的差異

2.規劃理念

簡略

FLEX型SSR在規劃時著重簡略性。它是小型和模塊化的，允許大多數部件在專業制造廠生產，便于運輸，減少現場的作業，縮短工期。全部這些都最大極限地降低了總本錢。FLEX型SSR在任何或許的情況下，運用已經在核工業中得到驗證的、老練的材料和技能，消除許多研討項目的需求，使安全和規劃驗證更快、更簡單。MoltexFLEX公司的方針是，讓清潔動力比化石燃料更廉價，迅速把FLEX反響堆推向市場，盡早在全球部署這種“堆群”。

低本錢

傳統核電機組的制作和運營本錢已變得越來越貴重，首要由于需求安全辦理體系和程序的風險。相比之下，FLEX反響堆是“固有安全”的。選用低壓體系，大大降低了安全密封的本錢。它的運轉安全是由“固有”(Inherently)和“非能動”(Passive)[3]安全體系供應的，大大降低了基建和運轉本錢。FLEX反響堆的規模僅僅傳統核電站的一小部分，其規劃本錢與焚燒化石燃料適當。此外，FLEX反響堆的出口溫度高，有潛力進步動力轉化效率。

輔佐可再生動力

FLEX反響堆的特征是對需求改變呼應速度快，支撐間歇性可再生動力的能力強。FLEX反響堆的規劃目的便是供應可調度電力，解決可再生動力供應間歇性難題。由于技能和經濟原因，傳統的二/三代核電機組不適宜供應這種靈活性，由此發生的供應缺口通常由燃氣發電機組填補。

FLEX反響堆輸出溫度高，可用GridReserve©[4]體系，運用熔鹽(已用于太陽能行業)儲熱幾小時或幾天，進步本錢效益。外部需求超越供應時，可當即開釋貯存的熱能。

許多可再生動力長期發電期間，FLEX反響堆只需非能動地處于“空載”模式，發生的熱能恰好使反響堆堅持運轉溫度。這種反響堆規劃，基建本錢低，使之經濟可行。

固有安全

FLEX公司的安全理念是，憑仗這種技能的根本特性，要點在于減少或消除多重的嚴峻損害，并與各種非能動安全措施一起管控剩下的風險。在正常運轉期間，FLEX反響堆不需求任何“能動”措施堅持核安全。與其他反響堆技能比較，這種辦法有很大的安全優勢，由于后者高度依靠能動的安全體系處于正常后備、維護并堅持運轉狀況。

FLEX反響堆概念規劃排除了許多損害，消除了各種風險，無需增加工程解決方案，予以控制或緩解。因而FLEX反響堆靠規劃保證根本安全。

多用途的熱能

FLEX反響堆出口熔鹽冷卻劑溫度高達750°C，可直接用于聯網和離網發電，也可有以下其他運用，包括：

•工業進程或區域供暖的直接輸入熱源(歐洲工業運用的全部熱能溫度，2/3低于700°C)。

•高溫電解熱源，合理高效的清潔制氫氣;也支撐更有用的熱化學制氫，而且氫本身就可用作：

o工業上天然氣的直接替代品

o重型卡車的燃料電池

o合成燃料的質料，包括航運中燃油替代品的氨

•海水淡化設備的動力。

此外，還可把FLEX反響堆用于海航業，首要是船只推動。

3.FLEX型反響堆的現場裝備

典型的現場可包括任何數量模塊化的FLEX反響堆裝備。每個堆熱功率為40 MW，適當于16 MWe。例如，16個機組的陣列可與GridReserve©儲熱設備耦合，在每天網絡(電/熱網)最艱難的8小時期間供應768 MWe的熱能。

FLEX反響堆的熱輸出，經過管道體系內的熔鹽傳輸給核島外側的GridReserve©儲罐。貯存的熔鹽可用來發生超熱蒸汽，驅動傳統的汽輪機發電。這是或許的裝備，由于與傳統的反響堆規劃比較，FLEX反響堆的安全性與儲熱和發電機組供應的“熱阱”是徹底別離的。衰變散熱體系是徹底“非能動”的，運用“天然對流”，無需“機動”部件。此外，由于不需求與安全相關的干涉和維護，典型FLEX型反響堆廠址的接入點數量比傳統核電站更少，減少了核安全保證的風險。

4.反響堆

FLEX型反響堆在概念、結構和運轉方面，與傳統的熔鹽堆規劃有許多不同。兩者的燃料和主冷卻劑都是熔鹽，經過細心挑選熔鹽的化學成分，控制腐蝕，避免氧化和浸析。但FLEX反響堆的燃料鹽裝細鋼管內，每根細鋼管插入獨自的石墨基質慢化劑孔道中，構成反響堆堆芯。堆芯坐落在充溢主冷卻劑熔鹽的反響堆箱型容器內。反響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轉16-25年，或許還有兩次換料，使反響堆總壽數長達75年。正常運轉期間，核燃料發生的熱能，經過充溢反響堆箱型容器的主冷卻劑熔鹽天然對流循環，從堆芯傳輸出去。剩下的衰變熱，經過反響堆箱體周圍的空氣天然循環，接連排出。這些非能動的熱傳輸機制，保證不需求能動體系或泵，就能排出熱能或停關閉反響堆。

圖3：FLEX反響堆剖視圖

5.核燃料

反響堆堆芯由石墨砌體中的核燃料細棒陣列組成，而石墨塊占有箱體容器的大部分。每根燃料細棒插在獨自的石墨砌塊孔道中，熔鹽主冷卻劑就在燃料細棒與石墨孔道間流過。

燃料鹽

FLEX反響堆的核燃料是液態低濃縮鈾(濃縮度6%)氟化物鹽，裝在專利的、帶排氣的燃料細管內。熔鹽燃料經過天然對流在燃料管內循環，有利于熱量經過管壁傳遞給細管外圍的熔鹽冷卻劑。燃料鹽的化學性能是經過鈾氧化態組合安穩氧化復原的，在與氟化鈉稀釋劑共晶混合物中充當氧化復原緩沖劑，能堅持氧化復原電位，中和整個反響堆壽期內發生的潛在腐蝕性的裂變產品。

核燃料鹽不與周邊的石墨觸摸，也不需求強制從反響堆堆芯進入熱交換器。

燃料鹽一直與冷卻劑鹽堅持別離。冷卻劑鹽是另一種氟化物鹽，用來傳輸反響堆發生的熱能。但是，它們有或許互熔，并從根本上改動堆芯損害的效應。在傳統反響堆內，堆芯損壞導致反響堆進入非常風險的狀況。但在FLEX反響堆內，即便嚴峻的堆芯損壞，仍然會使反響堆轉入安全狀況。例如，核燃料細管的缺陷會引起管壁破裂，由于燃料鹽將稀釋在大體積的冷卻劑熔鹽內，導致堆芯反響性降低。因而，堆芯損壞不會增加核電站作業人員或周邊大眾受到照耀的或許性。

圖4：堆芯石墨砌體與和燃料細棒

裂變氣體排出

在FLEX反響堆內，大部分裂變產品當即被捕獲，成為不蒸發的鹽，并保留在燃料細管內的燃料鹽內。蒸發性的裂變氣體沒有當即被燃料鹽捕獲，會經過一系列氣泡捕集器，壽數較短的放射性同位素會在捕集器內衰變，它們的衰變產品會困在燃料鹽內。最風險的放射性裂變氣體(氙-137衰變為有害的銫-137)，簡直徹底包括在氣泡捕集器內。

氣泡器內呈現的首要放射性氣體是氪-85。在反響堆換料周期內，這些氣體會積累在反響堆氣體空間。由于它的半衰期為10年，停役時許多仍會存在。由于是惰性氣體，沒有生物積累，一般的做法是把氪-85稀釋到微不足道的濃度，排入大氣。

但是，MoltexFLEX公司更傾向于捕獲并貯存這種氣體，直到簡直徹底衰變，大概需求50年。

圖5：核燃料細棒組件

6.非能動控制體系

換料后，堆內后備反響性過大，要當即憑借另外的中子吸收劑“中和”。這種吸收劑可熔于熔鹽冷卻劑，并經過定時注入體系增加到主冷卻劑內。這種中子吸收劑焚燒得很慢，要每隔幾周或幾個月補充一次。

為呼應電力需求的改變，憑借類似于普通水銀溫度計、內充液態中子吸收劑的新穎專利機制，供應反響性改變的精密控制。冷卻劑溫度上升，這種機制會非能動地降低堆芯反響性，使反響堆能在不需求運轉人員任何干涉的情況下，安全地呼應反響堆傳輸給熱交換器熱量的改變。

7.余熱排出體系

核燃料細管便于燃料鹽與外圍冷卻劑鹽之間熱傳遞，冷卻劑鹽作業溫度高達770°C。加熱時，經過石墨砌體通道，天然對流上升到反響堆頂部。熱的主冷卻劑進入熱交換器，冷卻后返回堆芯底部，徹底靠非能動地“天然對流”。

FLEX反響堆的高溫輸出，可與GridReserve©相結合。GridReserve©便是個儲熱體系，把反響堆輸出的熱能貯存在大型熔鹽罐內。這些鹽以后可用來發生蒸汽，從而經過傳統的發電設備，按照正常工業安全規范發電。每天電力需求高時，GridReserve©可使發電設備輸出反響堆額定功率幾倍的電力。

這個體系的眾多長處之一是，貯存熔鹽的流動無需反響堆操縱員控制。由于反響堆非能動地調理出力，發電設備的運轉人員不必擔心改動或中止發電設備，對核反響堆運轉有什么影響。

冷卻劑鹽

傳統核反響堆運用的冷卻劑存在嚴峻的安全隱患。例如，因部件故障壓力下降，水可“閃蒸”成蒸汽。用鈉作冷卻劑的規劃曾引起火災。任何高壓氣冷堆必須有安全體系，以管控壓力鴻溝呈現破口，從而導致堆芯失冷的結果。因而，從現有反響堆學到的首要經驗是，運用化學和物理上安穩的常壓冷卻劑，如熔鹽。

FLEX反響堆運用專利的鋁氟化物和鈉氟化物共晶混合物作為主冷卻劑。類似的鹽混合物已在鋁冶煉行業用了幾十年，堅信它與石墨慢化劑沒有相互作用。

熔鹽對金屬的腐蝕是業界長期存在的難題。在冷卻劑鹽內熔入少數的鋁，鏟除任何或許泄入堆內的氧氣，可防腐蝕。

剩下發熱

非能動排出余熱體系(RHRS)接連運轉，排出的熱量占反響堆額定功率的0.5%。為完成體系徹底“非能動”，值得接受這點丟失。它運用空氣天然對流，冷卻反響堆箱體外層的底部、兩側和頂部。部分溫度限制在300~400°C。反響堆箱體外側與堆坑壁之間的空間，分為內部和外部風管，作為冷空氣發生的進、出口。然后，空氣排入反響堆廠房(見圖6)。

圖6：余熱排出體系

假如反響堆額定功率運轉時徹底中止“散熱”，最初的高衰變熱會使反響堆升溫，比正常運轉溫度高約50°C。爾后，經過RHRS接連排出0.5%的額定熱能，直到溫度足夠低，相對運轉溫度下降的反響性溫度，足以重返臨界狀況。之后反響堆安穩在滿功率的0.5%，直到電廠運營者需求更多的熱量停止。

見地與思考

安穩熔鹽堆(SSR)是英國化學家、Moltex動力公司董事會主席伊恩·斯科特(Ian Scott)的創造，方針是“讓清潔動力比化石燃料更廉價”。SSR有熔鹽堆的全部優勢，是典型的先進堆;但把熔鹽燃料的發熱與冷卻功用“別離”，僅用來替代水冷堆燃料組件的固態燃料芯塊，避開了熔鹽堆最棘手的應戰，看起來就像傳統水冷堆(PWR、BWR)那么熟悉……

FLEX型安穩熔鹽堆是Moltex動力公司安穩熔鹽熱譜堆(SSR-U)規劃[5]的簡化和改善。它簡化到極致，只剩下“核島”部分，僅靠固有、非能動規劃體系“天然循環”運轉。凡有或許發生放射性反常的體系，均無“運動”部件;與核控制區外的儲熱與慣例發電部分“耦合”，致使整個現場成為比規劃核容量高數倍、可調度的“儲能”設備。

FLEX型SSR有幾個專利規劃，還沒有給出詳細的規劃參數。但幾個參數令人印象深刻：

—初裝核燃料為低濃鈾(6%)氟化物鹽，簡直與傳統輕水堆的核燃料濃縮度相同;

—換料周期20-25年，電廠壽數75年;

—石墨慢化劑;

—可供應750℃的熱能;

—募集私有資金制作，不靠國家贊助

……

在國際上，水冷PWR/BWR小型模塊式反響堆(SMR)，NRC已給NuScale和BWRX-300型規劃頒布答應，第四代核能和先進SMR開發已會集在高溫冶金后處理工藝和熔鹽堆，再花費時刻和資源開發其他類型的先進堆，價值不高。研討、開發SSR型熱譜和快譜堆是開展先進SMR的捷徑，值得組織核能界深入探討、研討。

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：依托物質/物體固有賦性等天然規律保證安全，如水往低處流，冷熱空氣對流……

非能動安全，passive safety：毋需依靠外部輸入而執行功用的;其功用的執行是在感受到某種參數，如壓力、溫度、流量的改變后完成的;基于不可逆動作或改變又非常可靠的，也屬此類。

[4]GridReserve©，Moltexn動力公司規劃的電(熱)網儲能設備，特指熔鹽(太陽鹽)儲熱罐及隸屬的管網設備(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.