钍基熔盐堆——新一轮核能发展浪潮

2020-10-12 14:13  来源:嘿嘿能源heypower    钍基熔盐堆  核反应堆  核能发电  核能利用

几十年来,核工程师一直在探索反应堆中放射性燃料(最大的零碳电源)新的配方、形式和尺寸。


1.一个潜在突破


几十年来,核工程师一直在探索反应堆中放射性燃料(最大的零碳电源)新的配方、形式和尺寸。

现在反应堆中的大部分燃料是浓缩铀。而在未来,可能会使用另一种非常有前途的元素——钍。

美国能源部(DOE)爱达荷州国家实验室(INL)和德克萨斯A&M核工程科学中心与清洁核芯钍能源(CCTE)展开合作,制造出了一种新型核燃料,称为“用于丰富生活的先进核能源”(Advanced Nuclear Energy for Enriched Life,简称ANEEL)。

在钍和铀的各种比较中,特别是“高含量低浓缩铀”(HALEU),ANEEL燃料可以解决困扰核能的几个问题:成本、扩散和废料。

另外,这种在美国生产的燃料,可以出口到世界其他的新兴核能市场。

在过去的几年里,气候科学家们越来越一致地认为,核能对于减轻全球变暖最严重的影响至关重要。

2. CANDU和PHWR

美国各州正在从可再生能源转向技术中立的清洁能源标准,其中就包括核能。

在发展中国家,这种需求显得更加紧迫。因为大多数发展中国家没有安装天然气、风能或太阳能的基础设施。此外,许多地方即使考虑水电站,也没有足够的地形和河流流量进行发电。所以只能考虑煤电或是核电。

如果真的关心环境的话,那最好是核能。

因此,开发新核能技术,特别是先进核燃料,对这一部署至关重要。

ANEEL核燃料可以用于传统的沸水反应堆和压水反应堆,但当应用在重水堆,如坎杜(CANDU)和加压重水反应堆(PHWR)时,优势就更加明显。更重要的是,它可以快速开发和部署。

CCTE计划在2024年将这项技术推向市场。

“今天,世界上的新兴国家及其公民,一直渴望获得推动国家进步和繁荣的电力,他们需要一个充足且不间断的电源,同时最好是清洁的。为实现这个目标,就必须解决多个关键性问题——成本、效率和可持续性。随着时间流逝,面对日益加剧的气候危机,实现这一愿景的紧迫性变得更加重要。” Mehul Shah说,他是CCTE的创始人和CEO。

CANDU堆是20世纪50年代在加拿大开发,最近在印度被称为PHWR(加压重水反应堆)。该反应堆是重水冷却和慢化压水反应堆。

PHWR/CANDU是成熟的中小型反应堆。加拿大的20个堆全部采用CANDU设计。

其他拥有CANDU反应堆的国家包括阿根廷、中国、印度、韩国、巴基斯坦和罗马尼亚。印度有18个基于CANDU设计的PHWR。

全球有近50个CANDU和PHWR反应堆,约占全球总反应堆的10%。

另一方面,有30个国家正在考虑、计划或开始实施核计划,另外还有20个国家表示有兴趣在未来开展核计划,其中大多数在发展中国家。

对于发展中国家来说,当配备合适的燃料时,CANDU/PHWR是一个最佳的反应堆选择。

CANDU/PHWR通常使用天然铀(0.7%U-235)氧化物作为燃料,因此它们需要一种更有效的慢化剂(减慢或减缓中子速度,使其以正确的速度撞击下一个核或裂变的材料)。在这种情况下,这些反应堆使用重水(D2O)(氘是原子核中有一个中子的氢)。

此外,钍具有较高的熔点和较低的工作温度,这使得它本质上比纯铀更安全,更能抵抗堆芯熔化。

与目前在运行的PHWR/CANDU中使用的天然铀燃料相比,ANEEL燃料的燃耗率非常高,约为55000 MWd/T(每吨燃料兆瓦/天)。这在一些方面很重要。

相同的燃料,在反应堆中燃烧的时间越长,消耗的能量也就越高。此外,更多的中子毒物在燃料的过度使用中滋生,包括钚-240,241,242,使乏燃料难以制造成武器。

此外,ANEEL更高的燃料燃耗将减少80%以上的废物,并最终产生更少的钚(Pu),因为其他钚已经燃烧释放能量。同时,产生的乏燃料具有抗扩散性。乏燃料更少,意味着更少的燃料,更低的成本,更低的燃料处理成本。

此外,PHWR/CANDU反应堆不必停堆换料,可以满功率换料。

印度Kaiga 1号机组的PHWR和加拿大的Darlington 1号机组分别保持连续运行962天和963天的世界纪录。

在运的CANDU/PHWR,如果使用天然铀,每个燃料束重约15 kg。在最初150天的运行之后,直至最终电站退役,平均每天需要更换8个这样的管束。

如果使用ANEEL燃料,每个燃料包重约10.65kg。在最初1400天的运行之后,直至电站退役,平均每天只需要更换一个这样的管束,从而大大减少了废物的产生。

3.钍的有趣之处

像大多数偶数重同位素一样,钍-232不易裂变。但和不可裂变的铀-238通过中子吸附形成钚-239,然后裂变产生能量一样,钍-232也吸收一个中子,然后迅速双β衰变为铀-233,裂变产生能量。

德克萨斯A&M大学核工程教授兼核工程与科学中心主任肖恩·麦克德维特(Sean McDeavitt)博士指出:“我已经研究核燃料应用超过25年。ANEEL燃料概念可以与现有的CANDU/PHWR反应堆技术相结合,利用钍的优越性能和丰度,产生清洁电力,减少对环境的影响。”

德克萨斯州的核科学和工程中心制造出了一批ANEEL,后运到INL,在INL的先进试验堆加速试验台上对燃料芯块(高达70000 MWd/T)进行高燃耗辐照试验。

随后进行辐照后的检查和燃料鉴定显示,所有都符合DOE和NRC的严格指导和质量保证要求。

“我们支持发展先进核燃料。作为国家核能研究与开发中心,INL以其独特的设施、能力和专业知识支持行业需求。” Jess Gehin说道,他是INL的首席科学家。

地球上钍的含量是铀的两倍多,而且可以像铀一样从海水中提取,所以使得核能像风能一样可再生。

印度本身的钍含量比铀还多,特别是在独居石中,这也是他们几十年来一直在反应堆中寻求应用钍的原因。

4. 地缘政治影响

ANEEL燃料的优点符合美国能源部最近发布的《恢复美国核能竞争优势》中的几个要素,该报告称,核能与国家安全有着内在的联系。

每当美国参与另一个国家的核计划时,该国就签署各种有关安全、武器不扩散和核材料(包括核燃料)的协议。其他像承诺国家放弃国内铀浓缩和乏燃料后处理的协议。签署的国际原子能机构附加议定书中规定了更严格的检查制度。

迄今为止,美国已经与48个国家签订了大约23个类似协议,其中包括乌克兰、摩洛哥、埃及和中国台湾。

但美国的核计划在过去的几十年里已经萎缩。与此同时,其他国家的核能发展在加强,特别是俄罗斯和中国,这两个国家都有核能国有企业,对安全和环境问题不太关心,还有韩国这样的国家,它们的工业得到政府的支持,这在美国根本不可能。

因此,拥有一种可以在其他国家的反应堆中使用的美国制造的新燃料,将使美国重新在核供应链中发挥作用。

随着美国目前的双边共识,核能必须作为清洁能源的一部分进行发展。

CCTE使用ANEEL燃料的PHWR/CANDU,可以通过缓解人们对放射性扩散和废物管理的担忧,更快地将核能部署到更多新兴国家。

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