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      穩定鹽反應堆技術概述

      2022-03-28 11:29  來源: 嘿嘿能源heypower    Moltex  核反應堆  熔鹽堆  核安全  加拿大核電  放射性廢物

      Moltex能源公司表示,他們開發的穩定鹽反應堆可以解決當前核電站存在的兩個主要問題:前期成本和不斷增長的核廢料。


      Moltex能源公司表示,他們開發的穩定鹽反應堆可以解決當前核電站存在的兩個主要問題:前期成本和不斷增長的核廢料。

      1、全球核工業發展


      Moltex 能源的穩定鹽反應堆技術正在新不倫瑞克省進行考慮落地(圖源:Moltex)

      有一些跡象表明,公眾和政府對核能的接受度正在朝著積極正確的方向轉變。

      Moltex認為,沒有核能就沒有凈零排放,但在大多數地方,核能的退役率高于新建項目。即使是一些碳污染最嚴重的國家,如澳大利亞和德國,目前也在完全排除核能。

      目前的核能行業處于垂死狀態的一個原因在于,前期高昂的資本成本。

      另一個原因是以往已經出現的三里島和切爾諾貝利核事故這樣的災難,讓全球核能發展蒙上了一層陰影。

      盡管福島遭受地震和海嘯的襲擊,但在許多方面也證明了核安全性。不過,這場自然災害還是嚴重動搖了人們對核能的信心,許多國家都開始由此淘汰核能。

      根據福島核事故經驗反饋,該行業已經采取了新的工程安全系統和管理控制層來應對潛在危險,提高電廠的安全性,但成本卻越來越高。

      2、穩定鹽反應堆


      SSR-W反應堆剖面圖(圖源:Moltex Energy)

      Moltex認為,他們的核能設計更有效且成本更低。他們設計基本原則是,尋求消除或減少基本危險,其次,通過工程安全系統或管理控制來應對其他的危險因素。

      穩定鹽反應堆(SSR)是一種新的核反應堆概念,基于20世紀60、70年代構思和測試,但一直沒有實現商業化。

      該種堆型通過兩種主要方式解決基本問題:

      燃料是熔鹽,其中最危險的裂變產物不是氣體,而是非揮發性鹽。

      冷卻劑是另一種熔融鹽,在大氣壓力下運行,如果反應堆發生故障,該冷卻劑將永遠不會因衰變熱而沸騰。

      3、SSR與熔鹽反應堆的區別

      使用熔鹽作為燃料和冷卻劑的核反應堆并不是什么新鮮事。

      20世紀60年代,美國建造并運行了一個熔鹽燃料原型堆,熔鹽堆和SSR有本質區別。

      在熔鹽燃料的反應堆設計中,熔鹽燃料被泵入反應室,在那里達到臨界點并產生熱量,熱交換器將熱量從反應器中轉移出來發電。

      這種設計確實有很大的吸引力——尤其是當燃料在循環系統中流動時,可以連續進行化學處理。

      但這種堆型也帶來了一個新的重大危險。

      如果任何泵、密封件或閥門泄漏,高放射性燃料會泄漏到反應堆空間,衰變熱甚至會導致鹽沸騰,釋放出放射性裂變蒸汽。

      在SSR中,熔鹽燃料保存在常規燃料管中(代替鈾氧化物顆粒),燃料管由單獨的熔鹽冷卻,熔鹽將熱量傳遞給渦輪機發電。

      熔鹽的安全優勢仍然存在,通過將燃料鹽與冷卻劑鹽分離,反應堆避免了泵送熔鹽燃料造成泄漏危險。

      與復雜的管道相比,簡單的密封管道泄漏的可能性要小得多——盡管當今的核燃料管道泄漏幾乎已經聞所未聞。

      即使燃料管發生泄漏,泄漏的燃料也會在大量冷卻劑鹽池中被大量稀釋,從而確保它既不能達到臨界反應點,也不能加熱到裂變產物揮發的程度。

      盡管發生了幾次此類泄漏,但反應堆仍可以繼續運行,因為放射性物質仍安全地留在安全殼內。

      4、穩定鹽反應堆背后的科學


      Moltex采取了一種根本不同的核安全方法,他們認為這種方法更有效,成本更低。

      將熔鹽燃料放入傳統燃料管的想法很簡單,也很新穎。這種新穎性在于,我們可以從中吸取教訓,認識到一些能源項目的危險性。

      在曼哈頓項目之后的幾年里,美國的一個團隊試圖設計一個核反應堆為飛機提供動力。

      該團隊考慮將熔鹽燃料放入管道,但最終沒有實現。

      他們的推理設計是合理的:熱量主要通過對流在流體中移動,這需要重力,但飛機的重力在加速度下發生變化,并在自由下落時消失。

      因此,在管道中使用燃料的設計后來從未被重新考慮過。

      直到Moltex在回顧了最初的項目設計后,其創始人進行了流體動力學計算,以表明管內燃料在正常重力下工作良好,并獲得了該結果的專利。

      這一發現導致了Moltex能源公司的建立,Moltex已經獲得了很多相關專利,并且涵蓋了全球大多數主要區域。

      5、“廢物燃燒器”


      Moltex Energy公司計劃在新布倫瑞克省萊普羅角(Point Lepreau)核電廠址建設1座300 MWe級穩定熔鹽堆和將放射性廢料轉化為燃料(WATSS)設施,計劃于2030年代初并網。(圖源:網絡)

      Moltex認為,加拿大對核能的新思維持積極態度。

      2016年,該公司成立了Moltex 能源加拿大有限公司,并將其部分知識產權轉讓給該公司。

      Moltex還在NB能源找到了一個支持性的核運營商,擁有一個完全適合先進反應堆的許可核電站。新不倫瑞克省政府和加拿大聯邦政府都直接投資了Moltex。

      同時,Moltex也通過其ARPA-E項目獲得了美國能源部財政支持。

      2019年,Moltex發起了有史以來第一次眾籌活動,非常成功。

      2021年,Moltex完成了加拿大核安全委員會核監管程序的第一階段。

      SSR有許多可能的變體,“廢物燃燒器”是可能成為反應堆家族的第一個。

      這是一個快光譜反應堆,沒有慢化劑來減緩裂變過程中產生的中子,沒有慢化劑,就需要更多的裂變材料才能達到臨界狀態,但反應堆也將消耗常規慢化劑反應堆中產生的所有錒系元素。

      這一點很重要,因為乏核燃料含有兩類不同的放射性廢物,當吸收中子的原子核分裂成更小的原子時,裂變產物就形成了。

      這些產物具有高放射性,但壽命很短,衰變300年后放射性類似于開采鈾。

      當原子核吸收中子并變成比鈾重的原子,如钚、镅和鋦時,就會形成錒系元素。

      這些產物具有高放射性和長壽命,在長達100萬年的時間里,它們是乏燃料中的主要放射源,也推動了對極其昂貴的深層地質存儲庫的開發需求。

      SSR使用錒系元素作為燃料,在轉換元素的同時產生能量。

      因此,這種新穎的設計可以清除現有反應堆中的核廢料。目前常規反應堆一般使用鈾作為燃料,并在反應過程中,積累錒系元素的放射性廢物。

      SSR仍將產生裂變產物,但這些核廢料的壽命要短得多,這也有助于使核能獲得它所需的社會接受度。

      首先,有必要從乏燃料中提取這些錒系元素。

      在加拿大,主要的核反應堆是加拿大開發的CANDU堆,使用非濃縮鈾燃料。

      因為使用天然鈾,所以它的燃耗相對較低,約為使用濃縮鈾的反應堆的五分之一。

      因此,無論產生多少能量,CANDU堆產生的乏燃料質量都是其他類型反應堆的五倍,乏燃料含有約三分之一的濃縮乏燃料中的錒系元素。

      傳統的乏燃料后處理(水后處理)旨在生產純钚,但從化學性質非常相似的其他錒系元素中分離钚是一個復雜而昂貴的過程,所以再加工并沒有被廣泛使用。

      通過常規的水法后處理來處理大量的CANDU乏燃料是完全不經濟的。

      因此,Moltex公司發明了一種從乏燃料中安全提取錒系元素的新方法,這就是廢物轉化為穩定鹽(Watss)的過程。

      6、Watss:將核廢料轉化為燃料

      使Watss工藝經濟可行的原因是,SSR堆不需要高純度燃料,只需要較高的錒系元素作為裂變材料,可以與未使用的鈾和鑭系元素裂變產物混合。

      高放射性、長壽命的CANDU廢物進入這一過程,結果是:

      萃取過程中產生的少量(約為輸入乏燃料的1/100)高放射性但壽命相對較短的鹽。

      鹽可以在傳統的深層地質儲存庫(約500米深)或地質穩定巖石的5公里深鉆孔中處理,還可以用于熱電池,非放射性裂變產物可以作為稀土金屬加以回收。

      鋯合金護套材料,可作為金屬燃料中的合金元素,液體燃料或冷卻劑中的氧化還原劑重新使用,或作為中級廢物處理。

      貧化鈾的放射性非常低,產生的熱量可以忽略不計,可以安全、廉價地儲存,直到鈾的價值使其值得回收。

      如果這種副產品不能回收利用,還有許多中長期儲存選擇。

      SSR的燃料,可以循環使用,直到消耗掉所有較高的錒系元素。

      7、面臨的腐蝕挑戰

      工程技術在很大程度上解決了金屬在水和空氣中的腐蝕問題,解決方案主要是在鋼上形成穩定氧化層,這種氧化層通常被稱為不銹鋼,幾乎可以阻止腐蝕。

      但熔鹽因溶解這種氧化物層而在不銹鋼界“臭名昭著”。

      許多熔鹽反應堆的設計者就會考慮鎳含量非常高的先進合金,這種合金不太容易腐蝕。

      但這些合金沒有在核工業中使用的記錄,可能會使開發時間延長很多年。鎳在中子照射下也會產生氦,導致合金變脆。

      Moltex有一種不同的方法,可以通過其管內燃料設計實現。

      向每根燃料管中添加少量金屬鋯可以清除鹽中的任何氧化物質。因為裂變產物包含大約三分之一的化學元素,所以有很多這樣的物質。

      在化學術語中,鋯將鹽的氧化還原電位鎖定為金屬鋯的氧化還原電位。氧化還原電位大幅度地降低,以至于熱力學上穩定的鐵和鉻實際上就是金屬。

      不會自然發生反應,像鉻或氯化鐵那樣將金屬提取到鹽中。這意味著我們可以使用標準的、眾所周知的鐵/鉻鐵素體鋼,而且不含鎳。

      這種方法的缺點是鋯金屬將通過鹽遷移,沉積在系統最冷的部分,使得它不可能在泵送熔鹽反應堆中使用,因為沉積無疑會一個潛在的巨大威脅——但由于SSR不是泵送熔鹽,所以不會出現這個問題。

      8、克服核能障礙

      如果我們要在能源脫碳和應對氣候變化方面取得足夠進展,就絕對需要核能。但目前的投資壁壘太高,這就需要開發新的核方法,如果沒有新方法,我們注定要失敗。

      Moltex認為,他們正在解決當前核能的兩個主要問題:前期成本和不斷增長的廢物量。

      Watss廢物解決方案至關重要,因為這種方案回應了環境和社會上普遍的反對意見,對任何民用核項目的批準來說,公眾接受度都至關重要。

      通過消除所含壓力和放射性氣體的危害,Moltex找到了一種使核能具有成本效益的方法。要將這項技術推向市場,還有很多工作要做,但基礎科學與創新工程相結合的力量,讓Moltex相信最終會成功。



      圖為技術

      深圳核博會

      中國核電網


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