稳定盐反应堆技术概述

Moltex能源公司表示，他们开发的稳定盐反应堆可以解决当前核电站存在的两个主要问题：前期成本和不断增长的核废料。

1、全球核工业发展

Moltex 能源的稳定盐反应堆技术正在新不伦瑞克省进行考虑落地(图源：Moltex)

有一些迹象表明，公众和政府对核能的接受度正在朝着积极正确的方向转变。

Moltex认为，没有核能就没有净零排放，但在大多数地方，核能的退役率高于新建项目。即使是一些碳污染最严重的国家，如澳大利亚和德国，目前也在完全排除核能。

目前的核能行业处于垂死状态的一个原因在于，前期高昂的资本成本。

另一个原因是以往已经出现的三里岛和切尔诺贝利核事故这样的灾难，让全球核能发展蒙上了一层阴影。

尽管福岛遭受地震和海啸的袭击，但在许多方面也证明了核安全性。不过，这场自然灾害还是严重动摇了人们对核能的信心，许多国家都开始由此淘汰核能。

根据福岛核事故经验反馈，该行业已经采取了新的工程安全系统和管理控制层来应对潜在危险，提高电厂的安全性，但成本却越来越高。

2、稳定盐反应堆

SSR-W反应堆剖面图(图源：Moltex Energy)

Moltex认为，他们的核能设计更有效且成本更低。他们设计基本原则是，寻求消除或减少基本危险，其次，通过工程安全系统或管理控制来应对其他的危险因素。

稳定盐反应堆(SSR)是一种新的核反应堆概念，基于20世纪60、70年代构思和测试，但一直没有实现商业化。

该种堆型通过两种主要方式解决基本问题：

燃料是熔盐，其中最危险的裂变产物不是气体，而是非挥发性盐。

冷却剂是另一种熔融盐，在大气压力下运行，如果反应堆发生故障，该冷却剂将永远不会因衰变热而沸腾。

3、SSR与熔盐反应堆的区别

使用熔盐作为燃料和冷却剂的核反应堆并不是什么新鲜事。

20世纪60年代，美国建造并运行了一个熔盐燃料原型堆，熔盐堆和SSR有本质区别。

在熔盐燃料的反应堆设计中，熔盐燃料被泵入反应室，在那里达到临界点并产生热量，热交换器将热量从反应器中转移出来发电。

这种设计确实有很大的吸引力——尤其是当燃料在循环系统中流动时，可以连续进行化学处理。

但这种堆型也带来了一个新的重大危险。

如果任何泵、密封件或阀门泄漏，高放射性燃料会泄漏到反应堆空间，衰变热甚至会导致盐沸腾，释放出放射性裂变蒸汽。

在SSR中，熔盐燃料保存在常规燃料管中(代替铀氧化物颗粒)，燃料管由单独的熔盐冷却，熔盐将热量传递给涡轮机发电。

熔盐的安全优势仍然存在，通过将燃料盐与冷却剂盐分离，反应堆避免了泵送熔盐燃料造成泄漏危险。

与复杂的管道相比，简单的密封管道泄漏的可能性要小得多——尽管当今的核燃料管道泄漏几乎已经闻所未闻。

即使燃料管发生泄漏，泄漏的燃料也会在大量冷却剂盐池中被大量稀释，从而确保它既不能达到临界反应点，也不能加热到裂变产物挥发的程度。

尽管发生了几次此类泄漏，但反应堆仍可以继续运行，因为放射性物质仍安全地留在安全壳内。

4、稳定盐反应堆背后的科学

Moltex采取了一种根本不同的核安全方法，他们认为这种方法更有效，成本更低。

将熔盐燃料放入传统燃料管的想法很简单，也很新颖。这种新颖性在于，我们可以从中吸取教训，认识到一些能源项目的危险性。

在曼哈顿项目之后的几年里，美国的一个团队试图设计一个核反应堆为飞机提供动力。

该团队考虑将熔盐燃料放入管道，但最终没有实现。

他们的推理设计是合理的：热量主要通过对流在流体中移动，这需要重力，但飞机的重力在加速度下发生变化，并在自由下落时消失。

因此，在管道中使用燃料的设计后来从未被重新考虑过。

直到Moltex在回顾了最初的项目设计后，其创始人进行了流体动力学计算，以表明管内燃料在正常重力下工作良好，并获得了该结果的专利。

这一发现导致了Moltex能源公司的建立，Moltex已经获得了很多相关专利，并且涵盖了全球大多数主要区域。

5、“废物燃烧器”

Moltex Energy公司计划在新布伦瑞克省莱普罗角(Point Lepreau)核电厂址建设1座300 MWe级稳定熔盐堆和将放射性废料转化为燃料(WATSS)设施，计划于2030年代初并网。(图源：网络)

Moltex认为，加拿大对核能的新思维持积极态度。

2016年，该公司成立了Moltex 能源加拿大有限公司，并将其部分知识产权转让给该公司。

Moltex还在NB能源找到了一个支持性的核运营商，拥有一个完全适合先进反应堆的许可核电站。新不伦瑞克省政府和加拿大联邦政府都直接投资了Moltex。

同时，Moltex也通过其ARPA-E项目获得了美国能源部财政支持。

2019年，Moltex发起了有史以来第一次众筹活动，非常成功。

2021年，Moltex完成了加拿大核安全委员会核监管程序的第一阶段。

SSR有许多可能的变体，“废物燃烧器”是可能成为反应堆家族的第一个。

这是一个快光谱反应堆，没有慢化剂来减缓裂变过程中产生的中子，没有慢化剂，就需要更多的裂变材料才能达到临界状态，但反应堆也将消耗常规慢化剂反应堆中产生的所有锕系元素。

这一点很重要，因为乏核燃料含有两类不同的放射性废物，当吸收中子的原子核分裂成更小的原子时，裂变产物就形成了。

这些产物具有高放射性，但寿命很短，衰变300年后放射性类似于开采铀。

当原子核吸收中子并变成比铀重的原子，如钚、镅和锔时，就会形成锕系元素。

这些产物具有高放射性和长寿命，在长达100万年的时间里，它们是乏燃料中的主要放射源，也推动了对极其昂贵的深层地质存储库的开发需求。

SSR使用锕系元素作为燃料，在转换元素的同时产生能量。

因此，这种新颖的设计可以清除现有反应堆中的核废料。目前常规反应堆一般使用铀作为燃料，并在反应过程中，积累锕系元素的放射性废物。

SSR仍将产生裂变产物，但这些核废料的寿命要短得多，这也有助于使核能获得它所需的社会接受度。

首先，有必要从乏燃料中提取这些锕系元素。

在加拿大，主要的核反应堆是加拿大开发的CANDU堆，使用非浓缩铀燃料。

因为使用天然铀，所以它的燃耗相对较低，约为使用浓缩铀的反应堆的五分之一。

因此，无论产生多少能量，CANDU堆产生的乏燃料质量都是其他类型反应堆的五倍，乏燃料含有约三分之一的浓缩乏燃料中的锕系元素。

传统的乏燃料后处理(水后处理)旨在生产纯钚，但从化学性质非常相似的其他锕系元素中分离钚是一个复杂而昂贵的过程，所以再加工并没有被广泛使用。

通过常规的水法后处理来处理大量的CANDU乏燃料是完全不经济的。

因此，Moltex公司发明了一种从乏燃料中安全提取锕系元素的新方法，这就是废物转化为稳定盐(Watss)的过程。

6、Watss：将核废料转化为燃料

使Watss工艺经济可行的原因是，SSR堆不需要高纯度燃料，只需要较高的锕系元素作为裂变材料，可以与未使用的铀和镧系元素裂变产物混合。

高放射性、长寿命的CANDU废物进入这一过程，结果是：

萃取过程中产生的少量(约为输入乏燃料的1/100)高放射性但寿命相对较短的盐。

盐可以在传统的深层地质储存库(约500米深)或地质稳定岩石的5公里深钻孔中处理，还可以用于热电池，非放射性裂变产物可以作为稀土金属加以回收。

锆合金护套材料，可作为金属燃料中的合金元素，液体燃料或冷却剂中的氧化还原剂重新使用，或作为中级废物处理。

贫化铀的放射性非常低，产生的热量可以忽略不计，可以安全、廉价地储存，直到铀的价值使其值得回收。

如果这种副产品不能回收利用，还有许多中长期储存选择。

SSR的燃料，可以循环使用，直到消耗掉所有较高的锕系元素。

7、面临的腐蚀挑战

工程技术在很大程度上解决了金属在水和空气中的腐蚀问题，解决方案主要是在钢上形成稳定氧化层，这种氧化层通常被称为不锈钢，几乎可以阻止腐蚀。

但熔盐因溶解这种氧化物层而在不锈钢界“臭名昭著”。

许多熔盐反应堆的设计者就会考虑镍含量非常高的先进合金，这种合金不太容易腐蚀。

但这些合金没有在核工业中使用的记录，可能会使开发时间延长很多年。镍在中子照射下也会产生氦，导致合金变脆。

Moltex有一种不同的方法，可以通过其管内燃料设计实现。

向每根燃料管中添加少量金属锆可以清除盐中的任何氧化物质。因为裂变产物包含大约三分之一的化学元素，所以有很多这样的物质。

在化学术语中，锆将盐的氧化还原电位锁定为金属锆的氧化还原电位。氧化还原电位大幅度地降低，以至于热力学上稳定的铁和铬实际上就是金属。

不会自然发生反应，像铬或氯化铁那样将金属提取到盐中。这意味着我们可以使用标准的、众所周知的铁/铬铁素体钢，而且不含镍。

这种方法的缺点是锆金属将通过盐迁移，沉积在系统最冷的部分，使得它不可能在泵送熔盐反应堆中使用，因为沉积无疑会一个潜在的巨大威胁——但由于SSR不是泵送熔盐，所以不会出现这个问题。

8、克服核能障碍

如果我们要在能源脱碳和应对气候变化方面取得足够进展，就绝对需要核能。但目前的投资壁垒太高，这就需要开发新的核方法，如果没有新方法，我们注定要失败。

Moltex认为，他们正在解决当前核能的两个主要问题：前期成本和不断增长的废物量。

Watss废物解决方案至关重要，因为这种方案回应了环境和社会上普遍的反对意见，对任何民用核项目的批准来说，公众接受度都至关重要。

通过消除所含压力和放射性气体的危害，Moltex找到了一种使核能具有成本效益的方法。要将这项技术推向市场，还有很多工作要做，但基础科学与创新工程相结合的力量，让Moltex相信最终会成功。