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      第四代反應堆,核電的未來!

      2022-04-18 09:10    四代核電  釷基熔鹽堆  高溫氣冷堆  熔鹽堆  SMR

      盡管核電仍有爭議,但新反應堆的建造數量令人驚訝,它們將提供世界上第二大份額的無碳能源。隨著新技術的投入使用,這個行業也在經歷著快速的變化。那么,在未來的幾十年里,核電會是什么樣子?


      據New Atlas報道,盡管核電仍有爭議,但新反應堆的建造數量令人驚訝,它們將提供世界上第二大份額的無碳能源。隨著新技術的投入使用,這個行業也在經歷著快速的變化。那么,在未來的幾十年里,核電會是什么樣子?

      1942年12月2日,在芝加哥大學的Stagg Field足球場下面,芝加哥一號堆(Chicago Pile-1)被激活,成為世界上第一個(可控)核反應堆。78年后的今天,440個反應堆的發電量占世界總發電量的10%以上,目前還有50個反應堆正在建設中。

      盡管如此,核能還是遭受了非常糟糕的聲譽。像生活中的許多事情一樣,這是由一些復雜的因素造成的。核能對許多人來說仍然是一個神秘的東西。它與核武器聯系在一起,并且仍然處于幾十年的冷戰宣傳以及在美國、蘇聯和日本發生的三起極其引人注目的反應堆事故的負擔之下。

      在西方,反應堆的建設和發展在20世紀的最后幾十年里放慢了腳步,但這個行業可能正處于復興的邊緣。盡管聲譽不佳,核能有許多優勢。它不僅是無碳的,而且是無排放的。它以非常小的面積產生巨大的能量。它可以在任何地區選址。而且,令人驚訝的是,它的每千瓦死亡率是所有能源中最低的。

      核電的成本

      然而,核能有一個大問題,那就是成本。由于工廠的成本高達150億美元,建造一個反應堆很少有利潤。相反,建設者的大部分收入來自于反應堆的加注燃料和服務。

      建造核電站成本高的主要原因不是因為它們是核電站,而是因為它們是大型的、通常是一次性的土木工程項目,數量很少,而且可能需要長達20年才能上線。核電站不是在工廠大規模生產,而是在現場建造。它們還需要一個復雜的許可過程,工廠的設計要在一套獨特的質量、安全和安保要求下進行測試、修改和重新測試,并且要求運營商支付所有廢物處理費用。

      所有這些不僅會導致成本超支,所花費的時間也意味著隨著工程師的衰老和退休,有很多機會失去經驗。這導致了一些奇怪的現象,比如英國,它是核能的先驅之一,不得不去國外尋求幫助來建造該國的最新反應堆。

      有一些降低成本的方法,包括使用標準化設計,建造足夠多的工廠以保留技能和經驗,采用各種管理精簡措施,以及最重要的,通過攻擊最大的建筑成本。核反應堆在這些先進系統的成本中并不占主導地位,相反,是土建工程、結構和建筑;電氣設備安裝;以及現場這項工作的其他間接成本。

      正因為如此,核工業正在尋求新的反應堆設計,其中一些已經開發了幾十年,不僅要降低建設和運營成本,而且要提高安全性和效率,同時減少核武器擴散的風險。

      未來的反應堆設計

      今天,核工業正處于第三代或第三代+。第一代的標志是20世紀40年代末、50年代和60年代初的原型反應堆,第二代的標志是20世紀60年代中期至20世紀90年代中期的第一批商業輕水反應堆。隨后是第三代,也是輕水反應堆,但包括新技術,如更可靠的燃料、被動冷卻系統,以及不易發生故障的反應堆芯。第三代+,將被建造到2030年代,是最新的反應堆,是第三代設計的額外改進。

      接下來將是第四代,這是一個更加先進和多樣化的設計系列,旨在通過采用新的反應堆技術,以及新材料和新的制造技術,使核電站不僅成本更低,而且本質上更加安全。

      基本上,這些第四代反應堆的特點是其冷卻劑,可以是水、氦、液態金屬或熔鹽。它們還根據其在中子譜中的運行位置進行區分。也就是說,是在熱中子譜還是在快中子譜中。在后者中,導致裂變的中子是由核反應產生的,沒有被減緩,因此反應堆在非常高的中子能量下運行,而在前者中,反應堆使用慢化劑來減緩反應,這發生在較低的中子能量下。

      New Atlas列出了一些第四代反應堆。這不是一個詳盡的清單,但它確實包括了可能在21世紀中期出現的主要競爭者。

      小型模塊化反應堆(SMR)

      小型模塊化反應堆(SMR)是輕水反應堆,基本上是今天使用的反應堆的先進版本,只是它們更小,可以像汽車一樣大規模生產。這些反應堆旨在通過引入工廠制造技術來降低核能的成本。從本質上講,這個想法是為了創造小型、標準化的反應堆,每個反應堆的容量小于300MWe。

      與傳統反應堆不同,SMR不是大型的土木工程項目,可能需要20年才能上線,再花20年才能實現盈利。相反,正如其名稱所暗示的,SMRs是基于一個更小、更簡單的設計,不僅由反應堆的模塊組成,而且還包括大部分的支持部件。

      這使得發電廠可以在工廠或船廠作為堅固的模塊建造,然后運到現場進行組裝。目標是不僅降低成本,而且從根本上加快電廠建設和認證,以開始運行。

      SMR的另一個優勢是工廠的配置可以滿足不同客戶的需求。小的、相對孤立的社區可以訂購單反應堆電廠,例如,可以為幾千個家庭和企業提供服務,而大城市可以有多個反應堆的電廠,可以為數百萬人提供電力。由于它們很小,SMR可以用于專門的應用,如石油勘探或為軍事基地服務。此外,模塊可以被設計成以最合適的方式運輸,包括通過駁船、船舶、卡車、火車,甚至飛艇。

      SMRs也因包含了被動安全系統而引人注目,這些系統只需要很少或不需要電力來運行,并在事故發生時提供冷卻。它們也更容易屏蔽,而不需要大規模的混凝土結構,因為它們可以很容易地安裝在地下或船舶或海上平臺上,它們位于水線以下,這與潛艇上的反應堆的屏蔽方式相同。

      高溫氣冷反應堆(HTGR)

      高溫氣冷反應堆(TGR)是一種石墨調節的氦氣冷卻反應堆,其工作溫度是傳統反應堆的兩到三倍,但功率密度較低。這一概念自20世紀40年代以來一直在發展,但只是在最近幾年,該技術才開始成熟。

      HTGR的基礎是它在TRi-structural ISOtropic(TRISO)粒子燃料上運行。TSRIO燃料不是形成棒狀,而是由罌粟籽大小的顆粒組成,由鈾、碳和氧組成,密封在三層碳或陶瓷材料中,以容納核廢料。

      這些顆粒被形成為圓柱形的小球或被稱為“卵石”的臺球大小的球體。這使得燃料非常堅固。它比傳統燃料更耐中子輻照、腐蝕、氧化和高溫。這意味著“卵石”不會在反應堆中融化,而反應堆可以在更高的溫度下運行。此外,“卵石”可以在反應堆中緩慢循環,廢“卵石”從反應堆底部移走,而新“卵石”則在頂部被引入以取代它們。

      氣冷快中子反應堆(GFR)

      氣冷快中子反應堆(GFR)也是由氦氣冷卻的,但運行的功率密度比HTGR高。它們最初是作為增殖反應堆開發的,通過使用快中子而不是傳統反應堆產生的慢中子,將釷或不裂變鈾同位素轉化為钚或裂變鈾同位素,從而產生比燃燒更多的燃料。

      GFR的高級版本使用由陶瓷一碳化鈾燃料制成的核心,使其能夠在高溫下運行。燃料也被配置成每一體積的燃料有高密度的鈾原子。

      鈉冷快中子反應堆(SFR)

      另一個快速反應堆是鈉冷快中子反應堆(SFR),它是由液態鈉冷卻的,具有非常好的散熱能力。這些都是小型反應堆,因為這允許固有的和被動的安全功能,而這些功能在大型鈉反應堆中并不能很好地發揮作用。在美國,使用的燃料是包在鋼中的鈾和鋯的金屬合金,而在俄羅斯、法國和日本,傾向于使用氧化鈾燃料。這些燃料的熱密度低,所以如果反應堆堆芯太熱,它會膨脹,導致核反應自然減弱。

      堆芯也非常緊湊,因為SFR有一個封閉的燃料循環。也就是說,作為核反應的一部分,鈾和钚在堆芯內被回收,使反應堆在兩次燃料補充之間可以運行幾十年。

      鉛冷快中子反應堆(LFR)

      鉛冷快中子反應堆(LFR)是基于為俄羅斯核潛艇開發的反應堆設計,正如其名稱所示,使用鉛作為其冷卻元件。最新的版本在氮化鈾而不是二氧化鈾上運行。與鈉一樣,鉛提供了一個類似的被動安全系統,在核反應開始失控時自動進行調節。

      氟鹽冷卻高溫堆(FHR)

      氟化物冷卻高溫反應堆(FHR)是由氟化鋰和氟化鈹鹽的熔融混合物而不是氦氣冷卻的高溫反應堆。這些反應堆的功率密度是使用TRISO-粒子燃料技術的高溫反應堆的10倍。與氦氣冷卻的反應堆相比,氟化鹽允許反應堆在較低的溫度下運行,未來的設計將使用“卵石”燃料。

      熔鹽反應堆(MSR)

      在熔鹽反應堆(MSR)中,熔鹽既是冷卻劑又是燃料。燃料不是被制成棒狀、球狀或卵石狀,而是被混合到氟化鹽中,流經石墨或類似的慢速中子生成器并控制反應。

      MSRs可以在更高的溫度下運行,盡管這帶來了腐蝕問題,所以設計傾向于更冷的版本。然而,通過結合冷卻劑和燃料,清除廢物和引入新燃料比傳統反應堆要容易得多。

      第四代以后

      隨著對無碳能源的需求增長,導致更多的核電站在世界各地建造,我們將看到這些第四代反應堆上線。由于它們被設計為更便宜和更快地建造,它們很可能很快變得非常普遍。但是第四代之后會是什么?第五代將是什么樣的?

      在許多方面,它們將是第四代反應堆的更先進版本,建立在上一代的經驗教訓上,但我們也可能看到新的核電站用于新的利基應用。研究人員已經有計劃建造在月球上使用的小型反應堆,并且正在進行技術研究,比如像蠟燭一樣燃燒的核燃料,反應從一端開始,隨著逐漸吞噬燃料而轉移到另一端。

      我們還可能看到對核反應堆設計的其他方法的重新審視,這些方法是基于幾十年前的實驗,但由于更有前途的解決方案而被放棄。其中一些被徹底放棄了,甚至該領域的專家對它們也只有模糊的了解?,F在,它們又被重新審視。也許有一天,"核燃料"一詞不僅意味著鈾和钚,還意味著像釷這樣不太為人所知的材料。



      圖為技術

      深圳核博會

      中國核電網


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