第四代反应堆,核电的未来!

2022-04-18 09:10    四代核电  钍基熔盐堆  高温气冷堆  熔盐堆  SMR

尽管核电仍有争议,但新反应堆的建造数量令人惊讶,它们将提供世界上第二大份额的无碳能源。随着新技术的投入使用,这个行业也在经历着快速的变化。那么,在未来的几十年里,核电会是什么样子?


据New Atlas报道,尽管核电仍有争议,但新反应堆的建造数量令人惊讶,它们将提供世界上第二大份额的无碳能源。随着新技术的投入使用,这个行业也在经历着快速的变化。那么,在未来的几十年里,核电会是什么样子?

1942年12月2日,在芝加哥大学的Stagg Field足球场下面,芝加哥一号堆(Chicago Pile-1)被激活,成为世界上第一个(可控)核反应堆。78年后的今天,440个反应堆的发电量占世界总发电量的10%以上,目前还有50个反应堆正在建设中。

尽管如此,核能还是遭受了非常糟糕的声誉。像生活中的许多事情一样,这是由一些复杂的因素造成的。核能对许多人来说仍然是一个神秘的东西。它与核武器联系在一起,并且仍然处于几十年的冷战宣传以及在美国、苏联和日本发生的三起极其引人注目的反应堆事故的负担之下。

在西方,反应堆的建设和发展在20世纪的最后几十年里放慢了脚步,但这个行业可能正处于复兴的边缘。尽管声誉不佳,核能有许多优势。它不仅是无碳的,而且是无排放的。它以非常小的面积产生巨大的能量。它可以在任何地区选址。而且,令人惊讶的是,它的每千瓦死亡率是所有能源中最低的。

核电的成本

然而,核能有一个大问题,那就是成本。由于工厂的成本高达150亿美元,建造一个反应堆很少有利润。相反,建设者的大部分收入来自于反应堆的加注燃料和服务。

建造核电站成本高的主要原因不是因为它们是核电站,而是因为它们是大型的、通常是一次性的土木工程项目,数量很少,而且可能需要长达20年才能上线。核电站不是在工厂大规模生产,而是在现场建造。它们还需要一个复杂的许可过程,工厂的设计要在一套独特的质量、安全和安保要求下进行测试、修改和重新测试,并且要求运营商支付所有废物处理费用。

所有这些不仅会导致成本超支,所花费的时间也意味着随着工程师的衰老和退休,有很多机会失去经验。这导致了一些奇怪的现象,比如英国,它是核能的先驱之一,不得不去国外寻求帮助来建造该国的最新反应堆。

有一些降低成本的方法,包括使用标准化设计,建造足够多的工厂以保留技能和经验,采用各种管理精简措施,以及最重要的,通过攻击最大的建筑成本。核反应堆在这些先进系统的成本中并不占主导地位,相反,是土建工程、结构和建筑;电气设备安装;以及现场这项工作的其他间接成本。

正因为如此,核工业正在寻求新的反应堆设计,其中一些已经开发了几十年,不仅要降低建设和运营成本,而且要提高安全性和效率,同时减少核武器扩散的风险。

未来的反应堆设计

今天,核工业正处于第三代或第三代+。第一代的标志是20世纪40年代末、50年代和60年代初的原型反应堆,第二代的标志是20世纪60年代中期至20世纪90年代中期的第一批商业轻水反应堆。随后是第三代,也是轻水反应堆,但包括新技术,如更可靠的燃料、被动冷却系统,以及不易发生故障的反应堆芯。第三代+,将被建造到2030年代,是最新的反应堆,是第三代设计的额外改进。

接下来将是第四代,这是一个更加先进和多样化的设计系列,旨在通过采用新的反应堆技术,以及新材料和新的制造技术,使核电站不仅成本更低,而且本质上更加安全。

基本上,这些第四代反应堆的特点是其冷却剂,可以是水、氦、液态金属或熔盐。它们还根据其在中子谱中的运行位置进行区分。也就是说,是在热中子谱还是在快中子谱中。在后者中,导致裂变的中子是由核反应产生的,没有被减缓,因此反应堆在非常高的中子能量下运行,而在前者中,反应堆使用慢化剂来减缓反应,这发生在较低的中子能量下。

New Atlas列出了一些第四代反应堆。这不是一个详尽的清单,但它确实包括了可能在21世纪中期出现的主要竞争者。

小型模块化反应堆(SMR)

小型模块化反应堆(SMR)是轻水反应堆,基本上是今天使用的反应堆的先进版本,只是它们更小,可以像汽车一样大规模生产。这些反应堆旨在通过引入工厂制造技术来降低核能的成本。从本质上讲,这个想法是为了创造小型、标准化的反应堆,每个反应堆的容量小于300MWe。

与传统反应堆不同,SMR不是大型的土木工程项目,可能需要20年才能上线,再花20年才能实现盈利。相反,正如其名称所暗示的,SMRs是基于一个更小、更简单的设计,不仅由反应堆的模块组成,而且还包括大部分的支持部件。

这使得发电厂可以在工厂或船厂作为坚固的模块建造,然后运到现场进行组装。目标是不仅降低成本,而且从根本上加快电厂建设和认证,以开始运行。

SMR的另一个优势是工厂的配置可以满足不同客户的需求。小的、相对孤立的社区可以订购单反应堆电厂,例如,可以为几千个家庭和企业提供服务,而大城市可以有多个反应堆的电厂,可以为数百万人提供电力。由于它们很小,SMR可以用于专门的应用,如石油勘探或为军事基地服务。此外,模块可以被设计成以最合适的方式运输,包括通过驳船、船舶、卡车、火车,甚至飞艇。

SMRs也因包含了被动安全系统而引人注目,这些系统只需要很少或不需要电力来运行,并在事故发生时提供冷却。它们也更容易屏蔽,而不需要大规模的混凝土结构,因为它们可以很容易地安装在地下或船舶或海上平台上,它们位于水线以下,这与潜艇上的反应堆的屏蔽方式相同。

高温气冷反应堆(HTGR)

高温气冷反应堆(TGR)是一种石墨调节的氦气冷却反应堆,其工作温度是传统反应堆的两到三倍,但功率密度较低。这一概念自20世纪40年代以来一直在发展,但只是在最近几年,该技术才开始成熟。

HTGR的基础是它在TRi-structural ISOtropic(TRISO)粒子燃料上运行。TSRIO燃料不是形成棒状,而是由罂粟籽大小的颗粒组成,由铀、碳和氧组成,密封在三层碳或陶瓷材料中,以容纳核废料。

这些颗粒被形成为圆柱形的小球或被称为“卵石”的台球大小的球体。这使得燃料非常坚固。它比传统燃料更耐中子辐照、腐蚀、氧化和高温。这意味着“卵石”不会在反应堆中融化,而反应堆可以在更高的温度下运行。此外,“卵石”可以在反应堆中缓慢循环,废“卵石”从反应堆底部移走,而新“卵石”则在顶部被引入以取代它们。

气冷快中子反应堆(GFR)

气冷快中子反应堆(GFR)也是由氦气冷却的,但运行的功率密度比HTGR高。它们最初是作为增殖反应堆开发的,通过使用快中子而不是传统反应堆产生的慢中子,将钍或不裂变铀同位素转化为钚或裂变铀同位素,从而产生比燃烧更多的燃料。

GFR的高级版本使用由陶瓷一碳化铀燃料制成的核心,使其能够在高温下运行。燃料也被配置成每一体积的燃料有高密度的铀原子。

钠冷快中子反应堆(SFR)

另一个快速反应堆是钠冷快中子反应堆(SFR),它是由液态钠冷却的,具有非常好的散热能力。这些都是小型反应堆,因为这允许固有的和被动的安全功能,而这些功能在大型钠反应堆中并不能很好地发挥作用。在美国,使用的燃料是包在钢中的铀和锆的金属合金,而在俄罗斯、法国和日本,倾向于使用氧化铀燃料。这些燃料的热密度低,所以如果反应堆堆芯太热,它会膨胀,导致核反应自然减弱。

堆芯也非常紧凑,因为SFR有一个封闭的燃料循环。也就是说,作为核反应的一部分,铀和钚在堆芯内被回收,使反应堆在两次燃料补充之间可以运行几十年。

铅冷快中子反应堆(LFR)

铅冷快中子反应堆(LFR)是基于为俄罗斯核潜艇开发的反应堆设计,正如其名称所示,使用铅作为其冷却元件。最新的版本在氮化铀而不是二氧化铀上运行。与钠一样,铅提供了一个类似的被动安全系统,在核反应开始失控时自动进行调节。

氟盐冷却高温堆(FHR)

氟化物冷却高温反应堆(FHR)是由氟化锂和氟化铍盐的熔融混合物而不是氦气冷却的高温反应堆。这些反应堆的功率密度是使用TRISO-粒子燃料技术的高温反应堆的10倍。与氦气冷却的反应堆相比,氟化盐允许反应堆在较低的温度下运行,未来的设计将使用“卵石”燃料。

熔盐反应堆(MSR)

在熔盐反应堆(MSR)中,熔盐既是冷却剂又是燃料。燃料不是被制成棒状、球状或卵石状,而是被混合到氟化盐中,流经石墨或类似的慢速中子生成器并控制反应。

MSRs可以在更高的温度下运行,尽管这带来了腐蚀问题,所以设计倾向于更冷的版本。然而,通过结合冷却剂和燃料,清除废物和引入新燃料比传统反应堆要容易得多。

第四代以后

随着对无碳能源的需求增长,导致更多的核电站在世界各地建造,我们将看到这些第四代反应堆上线。由于它们被设计为更便宜和更快地建造,它们很可能很快变得非常普遍。但是第四代之后会是什么?第五代将是什么样的?

在许多方面,它们将是第四代反应堆的更先进版本,建立在上一代的经验教训上,但我们也可能看到新的核电站用于新的利基应用。研究人员已经有计划建造在月球上使用的小型反应堆,并且正在进行技术研究,比如像蜡烛一样燃烧的核燃料,反应从一端开始,随着逐渐吞噬燃料而转移到另一端。

我们还可能看到对核反应堆设计的其他方法的重新审视,这些方法是基于几十年前的实验,但由于更有前途的解决方案而被放弃。其中一些被彻底放弃了,甚至该领域的专家对它们也只有模糊的了解。现在,它们又被重新审视。也许有一天,"核燃料"一词不仅意味着铀和钚,还意味着像钍这样不太为人所知的材料。



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