熔盐堆的下一步发展

2023-06-09 18:24  来源: 嘿嘿能源heypower    核反应堆  熔盐堆  核燃料

去年秋天,英国熔盐核技术开发商Moltex Energy成立子公司Moltex FLEX,以开发其FLEX反应堆——这是该公司SSR设计的最新应用。


去年秋天,英国熔盐核技术开发商Moltex Energy成立子公司Moltex FLEX,以开发其FLEX反应堆——这是该公司SSR设计的最新应用。

1、FLEX反应堆


艺术家展示了一个典型的FLEX反应堆阵列——右边32栋建筑。在左边,可以看到涡轮机岛旁边的蓝色GridReseve储罐(由MoltexFLEX提供)。

FLEX反应堆是Moltex Energy公司全球专利权稳定盐反应堆(SSR)技术的热谱版本,使用石墨作为慢化剂。

该技术与Moltex FLEX的姊妹公司Moltex Energy Canada共享,公司正在开发快速谱版本(SSR-W)和WAste-To-Stable Salt(WATSS)工艺,该工艺将用回收的乏燃料生产反应堆燃料。


Moltex的SSR电厂想象图(图源: Moltex)

与所有其他熔盐反应堆相比,SSR的根本独特之处在于,它们将放射性燃料盐限制在类似于传统反应堆中燃料组件的管道中。其后,一种单独的非放射性熔盐将热量从反应堆堆芯转移到热交换器。

在其他熔盐堆中,燃料也是冷却剂,复杂的燃料盐循环系统——泵、过滤器、调节装置和热交换器——暴露在放射性燃料盐中。

这对这些部件提出了严峻的要求,并使维护变得具有挑战性,而这些工程挑战可以说是这些反应堆目前未被商业使用的关键原因。

2、一个简单的解决方案

该示意图显示了FLEX反应堆设计的简单性——将放射性燃料盐保留在管道中,简化了腐蚀控制挑战,并且反应堆岛中的自然对流取代了泵送流(图源:MoltexFLEX)

FLEX反应堆是该公司早期热谱设计SSR-U的演变。Moltex FLEX于2022年9月在英国推出,旨在全球推广FLEX设计并开发SSR技术。

FLEX反应堆的设计考虑到了简单性,体积小,模块化,允许大多数部件在工厂生产,实现了可运输性,减少了现场工作,加快了施工速度,所有这些都将总成本降至最低。

它是一种低压设计,使用自然对流进行所有热传递——这消除了对泵或任何其他移动部件以及昂贵高压安全壳结构的需求。

只要可能,FLEX反应堆将使用核工业中已经证明的材料和技术,通过消除对广泛研究计划的需求,使安全和设计验证更快、更容易。

MoltexFLEX的主要目标是将FLEX反应堆快速推向市场,在全球范围内快速部署核能大军。

这就是选择低浓缩铀作为燃料原料的原因之一——这种材料现在已经可用,并且在没有制定新的保障协议的情况下,被世界各地普遍接受。

该公司的目标是在本世纪末生产出第一家同类工厂。

FLEX反应堆本质上是被动安全的。设计核心理念是通过技术的基本特征以及管理剩余风险的被动措施,来减少或消除危险。


该剖面图显示了FLEX反应堆背后的设计理念——保持工程尽可能简单(图源:MoltexFLEX)

依赖于固有的安全特征,如将挥发性裂变产物作为盐容纳在燃料盐中,以及被动控制系统,如熔融盐随温度的膨胀和收缩,以从堆芯插入或取出中子毒物,从而控制反应堆。

与其他反应堆技术相比,这种方法提供了相当大的优势,这些技术在很大程度上依赖于具有复杂备份系统的主动安全系统来确保运行的可靠性。

FLEX反应堆的开发,是为了用与燃烧化石燃料相当的成本获取能源。

此外,随着超临界二氧化碳涡轮机等技术的成熟,其750℃高温输出为更高效的能源转换提供了潜力。

考虑到深度脱碳所涉及的巨大挑战,经济高效地生产高温热的能力将与生产低成本电力一样重要。

3、补充可再生能源

FLEX反应堆的输出温度,使热能可以在熔盐GridReserve®系统中高效储存数小时或数天。

当需求超过供应时,可以释放这种能源,使FLEX和GridReserve®系统能够通过快速响应需求变化和提供可调度的发电来解决产量下降的问题,从而补充间歇性可再生能源。

由于技术和经济原因,常规核电站无法提供这种灵活性。

FLEX反应堆的输出热量可直接用于并网和离网发电或下游应用,包括:

用于区域供暖或工业过程的直接热量(欧洲工业中多达三分之二的热量使用低于700℃);

高温电解生产清洁氢气(FLEX反应堆还可以支持更有效的氢气热化学生产);

作为海水淡化厂的电源。

此外,FLEX反应堆可以重新配置用于海洋应用,主要用于船舶推进。

FLEX反应堆输出40 MWt,相当于16 MWe;热量的生产成本为10英镑/ MWh(12.4美元/ MWh),而电力的生产成本约为30英镑/ MWh(37.3美元/ MWh)。

每个反应堆的占地面积与典型的三居室房屋相似,可以单独部署,也可以以任何数量的阵列部署,以提供千兆瓦级别的能量。

例如,32个单元的阵列可以与GridReserve®储热设施结合部署,以在8小时的峰值需求下提供1.5 GWe。

热输出通过熔盐热交换器传递到位于核岛外的GridReserve®储罐。然后,这些储存的热量可以用于产生过热蒸汽,以驱动传统化石燃料工厂中使用的传统涡轮机。

这种配置基本没有问题,因为与传统的反应堆设计相比,FLEX反应堆的安全性完全独立于由储热和发电厂提供的散热器。

4、反应堆内部

燃料——一种低浓缩氟化铀——和一次冷却剂都由熔盐组成,通过盐的化学成分控制腐蚀,防止氧化和浸出。

燃料盐包含在钢管中,每个钢管放置在石墨基质慢化剂中的单独通道中,形成反应堆堆芯。

堆芯位于反应堆容器内,容器内装有一次冷却剂。该容器被放置在地下的混凝土坑中,并用混凝土护罩覆盖。对流使熔化的燃料盐在燃料管内循环,热量通过管壁传递到周围的冷却剂。

在正常运行期间,燃料的热量通过反应堆水箱内一次冷却剂盐的自然对流从堆芯中排出。

残余衰变热通过储罐周围空气的自然循环不断去除。这些被动机构确保不需要主动系统或泵来进行排热或关闭。

5、最新开发工作


熔盐提纯厂(图源:Kairos Power)

Moltex FLEX的内部开发团队在过去一年中取得了长足的进步。

例如,该公司最近与科学仪器制造商Anton Paar合作,在柴郡沃灵顿的MoltexFLEX实验室的气候控制惰性气体手套箱内安装了一台流变仪,这是英国独有的装置。

该装置能够在高达1000℃的温度下测量熔盐的粘度和密度,流变仪现在正在生成关于FLEX反应堆的拟议燃料和冷却剂盐的行为数据,这些材料特性迄今为止很少探索。

此外,Moltex FLEX正在与外部合作伙伴合作进行研究。

作为工业合作计划的一部分,得益于亨利·罗伊斯研究所的资助,该公司目前正在与曼彻斯特大学核石墨研究小组的科学家合作,以表征熔融盐如何与标准工业级石墨相互作用。

使用具有高耐热性和耐化学性的工业级合成石墨将为FLEX反应堆节省大量成本。

最后,MoltexFLEX演示了拟用于反应堆容器和燃料管的合金的腐蚀控制。

熔盐对金属的腐蚀是工业中长期存在的问题。通过将少量铝溶解在冷却液盐中来防止这种现象的发生,在氧化剂侵蚀金属之前,铝会清除任何氧化剂。

FLEX反应堆使用获得专利的氟化铝和氟化钠的低共熔混合物作为主要冷却剂。

类似的盐混合物在铝冶炼行业已经使用了几十年,这些物质很难与石墨慢化剂的相互作用。

燃料盐化学是通过铀氧化态的组合进行氧化还原稳定的,在与氟化钠稀释剂的低共熔混合物中充当氧化还原缓冲液。

该缓冲液能够维持氧化还原电位,并中和反应堆整个寿命内产生的潜在腐蚀性裂变产物。

含有氟化物盐的合金样品管已在MoltexFLEX实验室中加热至高达900℃的FLEX反应堆操作温度,并在该水平下保持数月,最后发现,几乎没有腐蚀迹象——即使在扫描电子显微镜下检查,也为微米级。

6、展望未来

MoltexFLEX正在扩大规模,以巩固公司在过去一年中取得的进展,预计在未来两年内,其团队规模将成倍增加,内外部员工达到数百名。

目前正在与私人投资者进行富有成效的讨论,为下一阶段的发展提供资金。

尽管该公司相信,在未来6-7年内,仅通过私人融资就可以实现首个同类FLEX反应堆,但它正热切期待着英国核能公司的成立,并有机会与他们合作,在能源组合中建立FLEX等先进核技术地位。

与此同时,该公司因其突破性的技术越来越受到认可——例如,作为英国商业和贸易部实施的“明日绿色建设者”计划的一部分,该公司在4月份被评为冠军。

作为这一举措的一部分,Moltex将与其他五家公司一起前往阿联酋会见潜在投资者。

总之,MoltexFLEX认为,其SSR技术,尤其是FLEX反应堆,将在未来的能源发展中做出巨大贡献——不仅有助于到2050年实现净零排放,而且有助于为发展中国家带来丰富、清洁和低成本的能源,并恢复英国作为核创新者的领先地位。

正是这一愿景,推动着MoltexFLEX团队每天朝着实现FLEX反应堆愿景的方向努力。

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