​比尔盖茨的新操作:快中子反应堆+电网级储能

2021-07-24 21:43  来源:嘿嘿能源heypower    快中子反应堆  电网级储能  轻水反应堆  美国核电

当前正在建造的新裂变反应堆绝大多数都是轻水反应堆(LWR),LWR利用水将中子慢化成热中子,同时水也会吸收中子。虽然LWR从20世纪50年代以来一直在商业应用,但实际上它们还是只能使用铀(U-235)燃料。而这个方面正反衬出快中子反应堆极具吸引力。


当前正在建造的新裂变反应堆绝大多数都是轻水反应堆(LWR),LWR利用水将中子慢化成热中子,同时水也会吸收中子。虽然LWR从20世纪50年代以来一直在商业应用,但实际上它们还是只能使用铀(U-235)燃料。而这个方面正反衬出快中子反应堆极具吸引力。
 
快中子反应堆也可以使其他裂变元素产生裂变,覆盖了中子截面的全谱。泰拉能源(TerraPower)提出的钠冷反应堆Natrium就是这类快堆的一种,而且它是世界上第一个不仅针对商业用途,同时还通过自带的熔盐罐实现电网级储能的快中子反应堆。
 
这么做的好处是,Natrium堆不仅可以采用美国和其他地方LWR产生的乏燃料作为燃料,而且在负荷跟踪时效率更高,而这正是传统热中子反应堆的弱点。
 
目前,TerraPower和合作伙伴正在寻求以怀俄明州一个退役后的燃煤电厂作为厂址,建造一个示范电厂。反应堆功率345MWe(峰值500MWe)。
 
理想很美好——Natrium为何让人兴奋
 
Natrium可以利用的燃料不局限于U-235。这是反应堆内中子特性所致。再啰嗦一句,目前商业所用的裂变反应堆,一般使用水作为裂变链反应所产中子的慢化剂,会有效地减缓了中子速度。藉此,对于慢化导致的热中子(或者说“慢”中子),U-235和其他一些元素(例如Pu)的中子截面更大,但大多数超铀元素和锕系元素。
 
随着时间的推移,这些超铀和锕系元素的积累“污染”了LWR里的燃料,使中子链式反应的效率远低于“新”燃料棒。此后,LWR就需要换料(通常以2年为周期),而乏燃料组件就要进行储存或再处理。对于后处理,通过化学工艺可以去除问题同位素,但同时大量U-235仍然遗留在这些燃料棒中。
 
堆如其名,Natrium采用钠作为冷却剂(而不是水),可以利用快中子,也可以利用热中子。因此,燃料中任何可裂变同位素都可以发生链式反应,从而使反应持续进行,直到燃料中没有可裂变元素。这其中就包括铀燃料中占很大比例的U-238。
 
正因如此,Natrium可以利用全国各地LWR核电厂内冷却池中储存的乏燃料,并且只产生少量的短寿期废物。这代表了美国对EBR-II和FFTF等实验堆进行数十年研究的顶峰,也与俄罗斯的BN系列快中子反应堆存在很大相似性。为了给钠冷反应堆提供高浓度低富集度铀(HALEU)燃料,TerraPower已经与Centrus建立了合作关系。
 
除了这些反应堆设计,Natrium还增设了熔盐方式的厂内储能,从而能够将反应堆的电力输出从345MWe提高到500MWe,并维持约5.5小时。这使灵活覆盖需求峰值成为可能。
 
现实很骨感——还有很长的路要走
 
任何人或机构,如果想被允许在美国建造或运营核电站,在此之前必须通过核管理委员会(NRC)的审查认证。NRC将构建专家组,对申请人提供的设计方案进行分析、评估并提出修改意见,直到他们有确信所有法规都得到遵守、申请人答复了所有相关问题为止。我之前详细介绍了这个过程。
 
对于TerraPower的Natrium,这个认证过程可以从其公共页面进行跟进。从页面内容可知,Natrium正处于预申请阶段。一旦申请最终完成并提交,安全评估报告(SER)的第一阶段就可以开始了,然后再经过另外几个阶段,然后形成最终的SER(即FSER),FSER将用于规则制定,而且此时,在美国新建Natrium就是许可之内了。
 
即使有了这一批准,建造每一个独立的Natrium型反应堆仍需要获得核管会NRC的批准,这会涉及更多的安全报告。为了可以启动和商运反应堆,还将涉及更多的安全审查和报告。TerraPower声称,到20世纪20年代末,他们设计的Natrium将为商业用途做好准备,根据前边的分析,这个说法似乎可信。
 
竞争很激烈——搞快堆的都有谁
 
毫无疑问的时,TerraPower并不是唯一一家意图将快中子反应堆商业化的公司。在俄罗斯,俄罗斯国家原子能公司Rosatom和核燃料制造商TVEL展开合作,已经宣布开始建设BREST-OD-300铅冷反应堆。和Natrium的设计类似,这也是一个第四代快中子反应堆,但它使用铅(而不是钠)当作冷却剂,在传热能力方面是有益的,因为铅的熔点比钠更高。
 
BREST-OD-300的设计,考虑了现场燃料处理能力,从而在核电厂内实现铀燃料的闭式循环。除了这种反应堆,Rosatom还希望建造一定数量的钠冷BN-1200快中子反应堆,该堆型建立在70年代以来对BN-350、BN-600、BN-800反应堆的研究基础上。到目前为止,俄罗斯已经将2个BN-1200列入计划。
 
中国从2017年起开始建设CFR-600。像俄罗斯一样,运行快中子反应堆是计划要与LWR实现互补。
 
与此同时,印度的PFBR计划在2021年启动,届时,作为印度钍燃料循环的一部分,它将主要用于从钍增殖转化生产U-233。
 
显而易见的是,人们需要商业快中子反应堆,而TerraPower的Natrium型反应堆可能是美国成为这个市场一部分的最佳选择。
 
加分项——电网级储能有特色
 
TerraPower的Natrium型反应堆与竞争对手的不同之处在于,它没有聚焦于热中子反应堆核电厂扮演的传统角色,即获得尽可能多的蒸汽或尽可能提高涡轮机发电。相反,热量被冷却剂(钠)从反应堆堆芯导出后,储存在多个大型隔热罐中。这个工作原理类似于集中式太阳能(CSP)的保温装置。
 
储存的热能可以根据需要用于驱动发电机、为建筑提供热源等。通过把产生热能和使用热能发电的过程进行解构和其他措施,Natrium核电站可以根据电网需求动态调整电力输出。因此,TerraPower宣传Natrium是高比例可再生能源(VRE)(如太阳能和风能)电网的最佳搭档。
 
目前,高比例可再生能源的电网依赖于简单循环燃烧涡轮(SCCT),没有设置余热回收。虽然比联合循环涡轮机(CCGT)升降功率速度快得多,然而,CCGT电厂热效率超过60%,相比之下SCCT电厂一般仅略微超过30%,怠速时效率更差,比如当它们为了能够满足需求激增而待机时。
 
更宽广的设想
 
当前,全世界都认识到,越早摆脱化石燃料越好。然而,现在绝大多数日常能源消耗,包括运输(即使是电动汽车)或其他类似的方面,仍然来自化石来源。在美国,例如加州,通过200多家天然气发电厂,包括SCCT和CCGT电厂,天然气构成了电力能源来源的大部分。
 
随着可再生能源的快速增长,提供电网级存储和调峰电厂非常重要,这样才可以快速响应电力需求的自然波动以及这些可再生能源的产出变化。在这个领域,像TerraPower的Natrium这样设计可能很有意义,特别是考虑到它消除了经常用以反对新建核能的的“核废料”方面的争论。
 
不管美国的情况如何,很明显,还有许多国家都准备拥抱快中子反应堆,尽早实现商业用途。然而,TerraPower提出的核电厂与储能相结合的概念还有待观察。为了灵活运行,热效率有所降低,从长远来看是否值得还不确定,也许采用电池储能与传统的热中子核电厂可能更好地满足要求。


深圳核博会

图为技术


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