熔盐反应堆的“生长”

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北极星核电网讯:熔盐堆燃料与其它燃料相比具有巨大的优势。铀或钚的氯化物或氟化物与其它卤化物盐的混合物导致铯和碘裂变产物形成稳定的盐,而不是像固体燃料那样以元素形式存在。铯和碘元素在反应堆运行温度下呈现气态,正是这些高压气体的释放使切尔诺贝利和福岛成为灾难。

(来源:微信公众号“嘿嘿能源heypower” ID:heiheinengyuan 作者:heypower)

熔盐堆的各系统及设备的设计和验证,在当今的监管环境中是一项巨大的挑战。必须高度确定地证明系统将在所有情况下和反应堆寿命期间按预期运行。

在1949年航空反应堆试验时,提出了在标准燃料组件中使用熔盐燃料的可能性,但认为其不可行。作为航空发动机的计划,设计师知道不能依赖对流作为熔盐燃料的传热机制,因为航空器可能会经历自由落体,对流会停止。如果没有对流,热量就不会从熔盐燃料中迅速导出以避免沸腾。因此,设计师采用了泵推动燃料系统,并延续至今。流体动力计算程序 (CFD)的出现促使熔盐堆发生了根本性突破。

1、结构材料及熔盐的选择

熔盐对金属的腐蚀性很强。金属外表面会形成氧化膜,保护金属免受水或空气腐蚀,而熔盐会溶解氧化膜。因此,传统耐腐蚀不锈钢并不适用。

由于没有保护膜,金属合金在溶解时必须是化学稳定的。这种溶解是一种氧化过程,其中金属转化为其卤化物盐。易氧化的主要金属成分是铬。

铁、镍和钼都不太容易氧化。根据系统的吉布斯自由能,可以很容易地计算出特定盐从合金中溶解铬的趋势。要测量的关键参数是当盐与过量铬接触时卤化铬的平衡浓度。

这些计算得出了令人惊讶的现象。如果三氟化铀不转化成金属铀和四氟化铀,氟化铀盐就不能充分还原以阻止铬溶解。为避免转化,三氟化铀与四氟化铀的比例限制约为80/20。在这些条件下,铬基本上溶解到盐中。

这并不意味着不能使用氟化盐,这将取决于能否开发出特殊合金。在核能领域,这是一个巨大的技术障碍,因为任何新合金都需要多年的堆内测试。然而,氯化铀盐不会遇到这个问题。100%的三氯化铀是稳定的,没有转化的趋势。但即使是1%的四氯化铀也会使其具有很强的腐蚀性——裂变会导致氯的净释放发生。

解决方案是将金属锆引入盐中。锆与四氯化碳反应强烈,确保铀盐保持非常强的还原性。当锆存在时,二氯化铬的平衡浓度小于十亿分之一。腐蚀根本不可能发生。这对熔盐堆商业化非常重要。这意味着过去40年来为钠冷快堆开发和测试的合金如PE16、HT9以及其它合金可以用于熔盐堆。

2、反应堆设计

熔盐堆是一种没有慢化剂剂的快堆。锕系元素(如钚、镅和锔)不可避免地在热谱反应器中积累,而熔盐堆能够使这些元素发生反应。在核物理学家看来,这种设计很不寻常。

设计采用设计圆柱形堆芯,具有小型、高功率密度的特点。中子最优化设计,最大限度地减少了所需的裂变材料的数量。曾几何时,中子最优化设计是非常好的,因为裂变材料既稀缺又昂贵。然而今天,乏核燃料中的钚变成了一种负债而不是资产。

中子次优设计具有主要的补偿优势。矩形核心使换料变得简单。新燃料组件被放入一端,用过的组件从另一端移除。

连续换料能力使反应堆几乎可以无限期运行而不会关闭,从而提高了经济效率并减少了热循环对组件造成的压力。还确保反应堆不会存在过量裂变材料,而不得不用控制棒或其它反应控制材料调节,从而消除了高危故障模式。

反应堆堆芯也可以以中等功率密度运行,高于压水反应堆但低于钠快堆。虽然中子效率低,但这使堆芯的冷却变得非常容易。钠快堆必须以高达10m/s的速度输送钠冷却剂,这会导致组件承受高应力、流动腐蚀以及故障风险增加。熔盐堆仅需要低于1m/s的冷却剂流速和低于1 bar的泵扬程。

冷却剂系统由主冷却剂组成,它通过浸入反应堆罐中的热交换器将热量传递给相同的二次侧冷却剂。由于中子活化,一次侧冷却剂变得具有放射性,二次侧冷却剂将保持非放射性并将热量传递出反应堆建筑物。二次侧冷却剂相对于一次侧冷却剂存在微正压,可确保在热交换器泄漏的情况下放射性不会泄漏到反应堆之外。

反应器的控制异常简单。温度和中子传感器设置在堆芯周围。反应性主要由换料系统控制,只有当反应堆功率下降到特定值时,才会将新燃料组件移入堆芯。紧急关闭基本上采用传统的控制片,控制片采用电磁固定重力下落的方式。

3、发电系统及储能

反应器的输出温度约为600℃。热量被传递到熔融硝酸盐储罐,可以存储在2.5GW的功率下长达8小时的能量。这是来自聚光太阳能发电行业的成熟技术,可以为550-600℃温度的热源存储能量,常规核能(300℃)无法使用该技术。

硝酸盐将在锅炉中产生蒸汽,过热蒸汽轮机用于发电。这使熔盐堆摆脱了价值相对较低的“基本负荷”市场,并使其能够为间歇性可再生能源提供零碳补充。这种可变发电能力的经济价值远远大于储热成本(仅增加3£/MW的平均电力成本)。

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