​重塑核能：双流体堆原理

高效率是双流体(Dual Fluid)开发新核能技术的最大优势。

1、双流体公司

核燃料棒(图源：网络)

双流体反应堆包含两种循环流体：一种携带燃料，另一种提取热量。均可以代替燃料棒。

双流体公司也是一家初创公司，该公司表示，这一概念“完全重新定义了核能”。

双流体原理使核燃料的利用“比当今的轻水反应堆(LWR)高出一百倍”，而“1000℃的工作温度使新的热应用成为可能”。

双流体最初是一家德国核技术初创公司。2021年，在温哥华成立为一家上市公司，以更好地受益于加拿大对SMR开发的有利政策。

“加拿大政府将SMR推广为未来的技术，”双流体公司说，“而大多数人将核能视为一种机会。”

此外，“该国在核技术方面经验丰富，与德国不同，专业知识积累丰厚”，并且“重要的是，有一个国际公认的核许可机构。”

2、LWR：一种不充分的技术

双流体公司认为，全世界普遍使用的轻水反应堆(LWR)效率低下，因为它们只能将生产天然铀的约1%转化为电能。

此外，核燃料在低温下燃烧，这使得不可能出现“有趣的化学应用”。

这种不足的技术，是如何战胜上世纪中叶存在的更有前途的设计?

双流体认为，答案在于其军事优势：带有燃料棒的反应堆非常适合为潜艇提供动力，而且它以简单的方式为核武器提供钚。

其他被认为更适合民用的概念也被放弃了。几十年来，我们仍在使用同样的LWR技术，这一事实可归因于燃料的巨大能量密度：核燃料提供了如此多的能量，即使是效率低下的核电站也能盈利。

在早期没有商业化开发的设计中，有两种设计非常突出：一种是液体燃料;一个是液态铅冷却。

20世纪60年代，美国成功地运行了一个使用液体燃料的实验反应堆(熔盐反应堆)，该反应堆能够更好地利用燃料。

然而，由于燃料盐也传递热量，功率密度因此受到限制，这两个功能也难以协调。

20世纪70年代，俄罗斯为其潜艇舰队建造了一座高性能液态铅冷却反应堆。但这些反应堆使用燃料棒，使得燃料供应和回收变得困难。

双流体概念是一种快堆，旨在以全新的设计将熔盐反应堆与铅冷却反应堆的优点结合起来。

在该种设计中，关键创新之处在于堆芯中使用两种液体。液体燃料可以在大约1000℃(与典型轻水堆的320℃相比)下发挥其全功率，这其中，液体铅处理热传递。

3、高功率密度

双流体公司表示，这一原理在核技术中是全新的，最大的优点是高功率密度(由于系统的紧凑性和高工作温度)。

燃料可以按照最佳燃耗率所需的速度缓慢循环，而冷却剂可以按照最佳排热所需的时间快速循环。

因此，可以使用未稀释的液体燃料——金属锕系元素混合物，从而显著增加反应堆堆芯中裂变材料的数量。

堆芯的紧凑性，减少了所需结构材料(昂贵、耐高温和耐腐蚀的材料)的数量。使用熔融铅作为冷却剂，可以在不减慢反应堆堆芯中子速度的情况下散热。

高功率密度与高效率相辅相成：额定功率为300 MWe的小型双流体堆芯的效率，是当前LWR的8至10倍。随着堆芯的增大，功率密度和效率进一步提高。

由于双流体，作为快堆，在高中子过剩的情况下运行，该反应堆——与双流体回收装置结合——可以充分利用任何裂变材料，包括钍、天然铀和现有反应堆的核废料。

4、重新定义核能

图1：300MWe 双流体发电厂(DF300)

双流体公司认为，燃料和冷却剂单独循环的原则“完全重新定义了核能”。

与双流体循环装置相结合，所有装载的燃料都得到了有效利用，无需最终储存。

双流体原理的应用不限于SMR，但该概念的首次实现，预计将是一个小型模块化反应堆，额定功率约为300 MWe，即DF300(图1)。

在DF300模块化发电厂中，燃料在密封筒中输送至发电厂。

在发电厂被加热并以液体形式泵入反应堆堆芯，释放热量约25年。然后，乏燃料返回到筒中，并运输以进行再循环。

较大的堆芯，如DF1500电厂中的1500 MWe/3000 MWh，具有较高的燃料吞吐量，可直接与双流体循环系统组合。这使得能够在现场进行永久性燃料处理。

双流体循环工艺与基于PUREX湿化学的“常规”燃料后处理有根本区别。

在双流体循环装置中，乏燃料首先转化为液态盐形式，然后使用已经在核工业之外建立的蒸馏工艺分离为其组分。所有可裂变材料与新燃料混合并返回反应堆堆芯。

双流体公司表示，这种基于热化学蒸馏的回收方法，能够完全利用任何可裂变材料，首次实现核燃料链的真正循环经济。

除发电外，DF1500发电厂产生3000 MWth的热量，特别适合于能源密集型热应用，如生产氢气和合成燃料。

今天的“绿色”制氢涉及高能量损失，而强大的核热源为高温蒸汽电解(HTE)提供了可能性，高温蒸汽电解比目前的工艺效率更高。

据双流体公司估计，通过高温热交换器生产氢气，可能会使风力发电生产绿色氢气的成本降低很多倍，并与甲烷蒸汽重整相比具有成本竞争力。

5、能源投资回报

发电厂的能源投资回报率(EROI)，是在整个生命周期(包括施工、运行、燃料、退役)内获得的能源与消耗的能源总量之比：

EROI=E out{over｝E in

化石燃料发电厂实现了约30%的能源回报。太阳能和风能，包括储能，基本实现了个位数。

双流体公司认为，虽然30%的能源回报率使工业革命成为可能，并且仍然足以为今天的工业国家提供能源，但回到效率较低的技术，可能意味着倒退一步：能源将变得更加稀缺和日益昂贵，有可能导致生活水平下降。

双流体公司认为，现代、人与自然友好型社会，必须致力于以较少的资金和较小的生态足迹提供大量可靠的能源，并且“高能量密度燃料可以实现这一目标。”

今天的轻水反应堆的能量回收率约为100，这意味着它们比化石燃料发电厂的效率高出三倍。

但双流体公司指出，听起来不错的事实，显示表现却不佳——因为核裂变释放的能量不是化石燃烧过程的三倍，而是数百万倍。

为什么今天的核能应用程度远远低于其实际潜力?

图2：与典型LWR相关的生命周期能耗，以及当今低效的燃料循环(来源：Vattenfall EPD Forsmark)

查看典型LWR(图2)所涉及的能源支出表明，80%的能源支出来自燃料的供应和处置——即铀的开采和精炼，以及燃料元件的生产、回收和处置。

这是很高的，因为今天的反应堆只能将一小部分开采的铀(约1%)转化为有用的能源。其余大部分与裂变产物混合，必须作为核废料处理。

因此，使用今天的LWR发电不是一个高产或有利可图的系统。

高投资成本和监管要求完全抵消了火力发电厂的能源优势。双流体公司认为，总的来说，核裂变的潜力仍然没有得到充分利用。

新一代反应堆(“四代”)可以实现效率的逐步提高，但不是根本性的提高。这是因为，要么保留了燃料棒的概念，要么是基于旧的熔盐反应堆设计。

在后者中，相同的液体既携带燃料又提供热量，导致两种功能的次优结果。

Moltex Energy的设计是一个例外。它选择固体燃料棒中包含的液体燃料。

图3：双流体300MWe 模块化发电厂(DF300)与轻水堆的生命周期能耗(基于Vattenfall 和双流体计算的估计)

如图3中蓝色区域所示，双流体反应堆设计——其开发人员称之为“五代”——采用浓缩液体燃料和铅冷却，再加上燃料循环，将与燃料相关的能源消耗减少到一个小部分。

如前所述，系统的相对紧凑性将进一步提高效率，由于高功率密度(如图3中的绿色区域所示)。

总体而言，DF300发电厂的能源消耗降至典型LWR的十分之一，这必然降低了成本。

图4：与其他动力源相比，双流体的估计能量投资回报率(EROI)

事实上，根据反应堆的大小，DF300的能量回报增加到800-1000，DF1500的能量回报大约为2000。图4比较了双流体与其他动力源的投资能量回报。

6、重大问题

分离双流体反应堆的两种流体材料，必须具有足够的导热性和耐腐蚀性，无论是对于铅还是对于燃料，燃料也是熔融液态金属。

与热反应堆中的条件相比，结构壁的材料选择非常广泛，主要是因为快中子的中子俘获截面较低。

原则上适用的材料实际上已经存在了几十年，但它们含有更稀有和更昂贵的化学元素。

这对于常规反应堆技术和现代熔盐概念来说可能是一个问题，因为它们由于相对低的功率密度而需要大量的结构材料。

该公司表示，这不适用于双流体，可以使用整个现代工业材料，并指出，即使是贵金属也可以用作合金的组成部分，对系统的整体成本影响很小。

这种材料的实例有，耐火金属的合金或高度耐腐蚀的陶瓷，例如硅、钛或碳化锆，近几十年来，在工业中越来越多地用于极端条件下的应用。

此外，还可以使用氧化钇等物质进行涂层，氧化钇可耐受高达1500°C的纯铀。

双流体公司表示，由于反应堆堆芯的温度明显低于此温度，而且燃料不是纯铀而是铀-铬混合物，因此确定最合适的材料是一项“可解决的开发任务”。

7、安全特征

图5：保险丝插头示

双流体设计最重要的安全特性是反应堆的瞬时自调节，这是由极负温度系数实现的。

如果温度升高，核燃料就会膨胀。结果，反应性立即下降，温度下降。因此，反应堆是完全自调节的;像切尔诺贝利事故那样的电力偏移很难再发生了。

如果系统仍升温到正常工作温度以上——“可能仅因燃料成分不正确”——熔化的保险丝塞提供额外保护。

保险丝插头(如图5所示)是燃油管路最低点附近的主动冷却部分。

燃料在那里从外部主动冷却，从而局部冻结并关闭下游出口。

如果燃料过热，冻结的燃料塞熔化，液体在重力作用下向下排入亚临界油箱。

连锁反应立即停止，衰变热被完全被动地去除，排除了衰变热未被去除发生事故(如福岛核事故)的可能。

双流体公司观察到，这种简单的控制系统概念很难失误，并已在20世纪60年代的美国熔盐反应堆实验中证明了其价值。

为了有效防止剧烈冲击和地震，核电站的核部分将位于地下厚壁掩体中。

即使在最坏的事故情况下——与燃料回路相关的泄漏——也不会有放射性物质泄漏到外部，因为没有明显的压力，也不会发生爆炸。

8、批量生产路线

图6：批量生产的可能时间表(*技术准备水平;**预测)

经过大约10年的基础工作(主要在柏林的固态核物理研究所进行)，双流体技术预计将达到TRL3。商业部署的下一步是组件测试，如图6所示。

学术合作伙伴正在对该系统的稳定性进行分析，作为许可的基础，种子资金融资已于2021成功完成。

如果一切按计划进行，我们希望在十年内生产出一个工作原型堆，并在此后不久开始批量生产。