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重新思考熔鹽反應堆

為什么熔融鹽反應堆可以帶來清潔能源的革命。在過去的幾十年中,世界迎來了了最大程度的全球貧困人口減少。自2010年以來,每年有超過1億人接入電網。這一增長主要是通過增加對燃燒化石燃料的依賴來實現的。各個國家/地區的各種生活質量指標表明,要達到體面的生活水平,每人平均總能源消耗率約為5kW。

考慮到預期的人口增長,將全球人口從貧困提升到現代舒適水平,可能需要全球能源消耗是我們當前消耗量的三到五倍。與此同時,我們必須大幅減少溫室氣體的產生,以避免災難性的氣候變化影響。由于能源消費的增長發生在發展中國家,而這些國家無力支付過高的能源價格,因此能源生產的快速增長必須從根本上比化石燃料便宜。

今天,我們已經遇到了了可持續發展的困境。為了在全球范圍內維持現代文明,我們需要一種無排放、可擴展、可靠且比煤炭更便宜的能源。在核時代的早期,輕水反應堆(LWR)被認為是不可擴展的,因為鈾的稀缺,輕水反應堆構成了目前核艦隊的大部分。盡管從那以后,我們意識到鈾資源更加豐富,但我們沒有過渡到各種先進(和更高效)的反應堆概念,而是堅持使用當前的技術。

或許現在是重新思考核能的時候了。熔鹽反應堆為工業裂變動力提供了一種新的途徑。核燃料溶解在高溫堿金屬鹵化物熔體中,如氟化鋰或氯化鈉,并在裂變堆芯和主熱交換器之間的主回路中循環。

與現有的LWR技術相比,這有幾個基本優勢。

首先,該系統提供超過600℃的高溫熱量,大約是LWR出口溫度的兩倍。

第二,熔融鹽在高達約1400℃的大氣壓下保持液態,因此系統可以在低壓下運行。

第三,堿金屬與鹵素的配對導致了強結合的化合物,沒有化學能用于快速反應。

第四,熔鹽是離子鍵合的液體,不像共價鍵合的固體燃料那樣會受到輻射損傷,所以燃料不會隨時間而降解。

第五,熔鹽是一種化學介質,適合于有價值元素的分離和提取,特別是醫用和工業用的同位素。

第六,液體燃料在循環過程中不斷混合和均質化,消除了潛在的熱點。

第七,熔鹽溶解鈾、釷和钚,提供燃料靈活性。最后但并非最不重要的是,液態燃料在電站停電時更容易冷卻,消除了熔毀的可能性。

簡而言之,MSR提供了一種高溫低壓系統,可以在運行時進行換料,不受燃料壽命的限制,具有相對便宜的薄壁結構部件,沒有擴散放射性核素的化學或壓力驅動因素,完全被動安全的潛力,以及從有價值的醫用同位素中獲得額外收入的可能性。此外,它可以消耗來自當前乏核燃料或武器級钚庫存的有問題的錒系元素。

    技術

熔融鹽反應堆的基礎技術是在20世紀50-70年代在橡樹嶺國家實驗室(ORNL)開發的,當時在阿爾文·溫伯格博士的領導下建造并運行了三座熔融鹽反應堆。他將MSR承諾創造為“鍋、管和泵”中的“燃燒的石頭”。最著名的系統是熔鹽反應堆實驗(MSRE),這是一個石墨慢化氟化物鹽燃料反應堆,運行于1965-69年,作為一個小型8MW技術開發平臺。

在那次行動結束時,ORNL的研究人員對這項技術的優點充滿信心,開發了幾個商業規模演示器的概念設計,并預計將在20世紀70年代進行建設。由于政府資助重點的改變,ORNL·MSR計劃反而夭折了。2001年,MSR被第四代國際論壇認可為具有改進的安全性、成本和效率的下一代反應堆概念之一。從那以后,國際上對MSR技術的興趣顯著復蘇,主要是在北美、歐洲、俄國和中國。中國的項目是最雄心勃勃的。它于2011年2月在上海核與應用物理研究所正式啟動,成功復制了過去ORNL的大部分技術。

    多樣性

在美國和加拿大,2010年后成立了幾家私營公司,許多公司的目標是在本世紀末發展MSR。這些開發商所追求的MSR理念有很大的多樣性。弗利比能源公司正在開發一種以釷為燃料的雙流體增殖器,即液體氟化釷反應堆(LFTR),這是ORNL計劃的最初目標。

索康電力的目標是建立一個與MSRE最相似的系統,但造船廠正在建設中,并把印尼作為其第一個市場。全球能源公司正在開發集成熔鹽反應堆(IMSR),它將反應堆和熱充電器集成到一個密封的可更換容器中。

在比爾·蓋茨的支持下,Terrapower正在研究一種不用減速劑的氯化物鹽燃料反應堆,即熔融氯化物快堆(MCFR)。凱羅斯電力公司使用氟化物鹽來冷卻鵝卵石形式的固體燃料,這是首次為高溫氣冷堆發明的。

核能是人類活動中最受管制的領域之一,這是有充分理由的。這些法規是根據現有技術量身定制的。制定新法規需要專題專家。直到最近,熔鹽技術在核工程領域既沒有被教授,也沒有被熟知。用來模擬核反應堆物理的工具沒有考慮流動燃料。

我們需要更好地理解化學和熱熔鹽的熱物理性質,這些熱熔鹽含有溶解的錒系元素和裂變產物。需要證明熔鹽與結構材料的兼容性,并且需要為液體燃料開發裂變材料衡算和控制方法,以滿足國際和國內保障措施。閥門、法蘭、泵、廢氣系統、各種傳感器和檢測器都需要設計和演示。大學、國家實驗室和MSR開發商正在開發必要的專業知識、工具和勞動力,這些由私人和美國能源部資助。也就是說,在20世紀50年代和60年代,我們已經建立并運行了MSR系統。真正的挑戰是在經濟上與化石燃料競爭。許多人認為這是最好的現實選擇。

維持我們的技術文明可能需要一種新的能源,這種能源要比現有的能源好得多。MSR提供了一種新的裂變方法,一種從本質上安全的低壓系統傳遞的高溫熱量,消耗乏核燃料和钚庫存中不需要的錒系元素的可能性,以及生產所需的醫用同位素。被動安全、高溫產熱和完善核廢料是重要因素,這將有助于經濟可行性和公眾接受度。



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