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FLEX型穩(wěn)定熔鹽熱譜堆概述

來源:全球起重機(jī)械網(wǎng)??人氣:150
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   英國Moltex動力公司9月底宣告建立全資子公司MoltexFLEX有限公司,總部位于英國沃靈頓。它專職開發(fā)FLEX型安穩(wěn)熔鹽熱譜堆——一種先進(jìn)的核反響堆,可以供應(yīng)清潔、低本錢和可靠的動力,作為風(fēng)能和太陽能等可再生動力的補(bǔ)充。MoltexFLEX計劃在2029年前使其首堆投入運(yùn)轉(zhuǎn)[1,2]。

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圖1:藝術(shù)家印象中32個FLEX型安穩(wěn)熔鹽熱譜堆模塊陣列(512 MWe)+GridReserve©+汽輪發(fā)電機(jī)廠房,

整個現(xiàn)場“可調(diào)度”裝機(jī)總量1.536 GWe。

1.核心技能

FLEX型安穩(wěn)熔鹽堆(SSR)是Moltex動力公司全球?qū)@卜€(wěn)熔鹽堆技能的熱譜(慢化)版,與其姊妹公司Moltex Energy Canada同享這種技能。后者正在開發(fā)快譜版的安穩(wěn)熔鹽堆。

SSR與世界各地正在開發(fā)的全部其他熔鹽堆(MSR)有本質(zhì)區(qū)別。由于它們與傳統(tǒng)反響堆的燃料組件類似,把強(qiáng)放射性的燃料鹽限制在燃料細(xì)棒內(nèi)。獨(dú)立的、非放射性的熔鹽冷卻劑把熱能從反響堆堆芯傳輸給主熱交換器。

在其他MSR內(nèi),核燃料鹽也是冷卻劑。復(fù)雜的燃料鹽循環(huán)體系,包括泵、過濾器、調(diào)理設(shè)備和熱交換器,與強(qiáng)放射性的核燃料鹽觸摸,對這些部件提出了嚴(yán)峻的要求,使監(jiān)控和維護(hù)非常有應(yīng)戰(zhàn)性。圖2說明MSR類型之間的關(guān)鍵區(qū)別。

圖2:傳統(tǒng)熔鹽堆與安穩(wěn)熔鹽堆的差異

2.規(guī)劃理念

簡略

FLEX型SSR在規(guī)劃時著重簡略性。它是小型和模塊化的,允許大多數(shù)部件在專業(yè)制造廠生產(chǎn),便于運(yùn)輸,減少現(xiàn)場的作業(yè),縮短工期。全部這些都最大極限地降低了總本錢。FLEX型SSR在任何或許的情況下,運(yùn)用已經(jīng)在核工業(yè)中得到驗證的、老練的材料和技能,消除許多研討項目的需求,使安全和規(guī)劃驗證更快、更簡單。MoltexFLEX公司的方針是,讓清潔動力比化石燃料更廉價,迅速把FLEX反響堆推向市場,盡早在全球部署這種“堆群”。

低本錢

傳統(tǒng)核電機(jī)組的制作和運(yùn)營本錢已變得越來越貴重,首要由于需求安全辦理體系和程序的風(fēng)險。相比之下,F(xiàn)LEX反響堆是“固有安全”的。選用低壓體系,大大降低了安全密封的本錢。它的運(yùn)轉(zhuǎn)安全是由“固有”(Inherently)和“非能動”(Passive)[3]安全體系供應(yīng)的,大大降低了基建和運(yùn)轉(zhuǎn)本錢。FLEX反響堆的規(guī)模僅僅傳統(tǒng)核電站的一小部分,其規(guī)劃本錢與焚燒化石燃料適當(dāng)。此外,F(xiàn)LEX反響堆的出口溫度高,有潛力進(jìn)步動力轉(zhuǎn)化效率。

輔佐可再生動力

FLEX反響堆的特征是對需求改變呼應(yīng)速度快,支撐間歇性可再生動力的能力強(qiáng)。FLEX反響堆的規(guī)劃目的便是供應(yīng)可調(diào)度電力,解決可再生動力供應(yīng)間歇性難題。由于技能和經(jīng)濟(jì)原因,傳統(tǒng)的二/三代核電機(jī)組不適宜供應(yīng)這種靈活性,由此發(fā)生的供應(yīng)缺口通常由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組填補(bǔ)。

FLEX反響堆輸出溫度高,可用GridReserve©[4]體系,運(yùn)用熔鹽(已用于太陽能行業(yè))儲熱幾小時或幾天,進(jìn)步本錢效益。外部需求超越供應(yīng)時,可當(dāng)即開釋貯存的熱能。

許多可再生動力長期發(fā)電期間,F(xiàn)LEX反響堆只需非能動地處于“空載”模式,發(fā)生的熱能恰好使反響堆堅持運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。這種反響堆規(guī)劃,基建本錢低,使之經(jīng)濟(jì)可行。

固有安全

FLEX公司的安全理念是,憑仗這種技能的根本特性,要點(diǎn)在于減少或消除多重的嚴(yán)峻損害,并與各種非能動安全措施一起管控剩下的風(fēng)險。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間,F(xiàn)LEX反響堆不需求任何“能動”措施堅持核安全。與其他反響堆技能比較,這種辦法有很大的安全優(yōu)勢,由于后者高度依靠能動的安全體系處于正常后備、維護(hù)并堅持運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

FLEX反響堆概念規(guī)劃排除了許多損害,消除了各種風(fēng)險,無需增加工程解決方案,予以控制或緩解。因而FLEX反響堆靠規(guī)劃保證根本安全。

多用途的熱能

FLEX反響堆出口熔鹽冷卻劑溫度高達(dá)750°C,可直接用于聯(lián)網(wǎng)和離網(wǎng)發(fā)電,也可有以下其他運(yùn)用,包括:

•工業(yè)進(jìn)程或區(qū)域供暖的直接輸入熱源(歐洲工業(yè)運(yùn)用的全部熱能溫度,2/3低于700°C)。

•高溫電解熱源,合理高效的清潔制氫氣;也支撐更有用的熱化學(xué)制氫,而且氫本身就可用作:

o工業(yè)上天然氣的直接替代品

o重型卡車的燃料電池

o合成燃料的質(zhì)料,包括航運(yùn)中燃油替代品的氨

•海水淡化設(shè)備的動力。

此外,還可把FLEX反響堆用于海航業(yè),首要是船只推動。

3.FLEX型反響堆的現(xiàn)場裝備

典型的現(xiàn)場可包括任何數(shù)量模塊化的FLEX反響堆裝備。每個堆熱功率為40 MW,適當(dāng)于16 MWe。例如,16個機(jī)組的陣列可與GridReserve©儲熱設(shè)備耦合,在每天網(wǎng)絡(luò)(電/熱網(wǎng))最艱難的8小時期間供應(yīng)768 MWe的熱能。

FLEX反響堆的熱輸出,經(jīng)過管道體系內(nèi)的熔鹽傳輸給核島外側(cè)的GridReserve©儲罐。貯存的熔鹽可用來發(fā)生超熱蒸汽,驅(qū)動傳統(tǒng)的汽輪機(jī)發(fā)電。這是或許的裝備,由于與傳統(tǒng)的反響堆規(guī)劃比較,F(xiàn)LEX反響堆的安全性與儲熱和發(fā)電機(jī)組供應(yīng)的“熱阱”是徹底別離的。衰變散熱體系是徹底“非能動”的,運(yùn)用“天然對流”,無需“機(jī)動”部件。此外,由于不需求與安全相關(guān)的干涉和維護(hù),典型FLEX型反響堆廠址的接入點(diǎn)數(shù)量比傳統(tǒng)核電站更少,減少了核安全保證的風(fēng)險。

4.反響堆

FLEX型反響堆在概念、結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)方面,與傳統(tǒng)的熔鹽堆規(guī)劃有許多不同。兩者的燃料和主冷卻劑都是熔鹽,經(jīng)過細(xì)心挑選熔鹽的化學(xué)成分,控制腐蝕,避免氧化和浸析。但FLEX反響堆的燃料鹽裝細(xì)鋼管內(nèi),每根細(xì)鋼管插入獨(dú)自的石墨基質(zhì)慢化劑孔道中,構(gòu)成反響堆堆芯。堆芯坐落在充溢主冷卻劑熔鹽的反響堆箱型容器內(nèi)。反響堆箱型容器置于地下混凝土井內(nèi),上有混凝土防護(hù)塊覆蓋。

初裝入堆的核燃料運(yùn)轉(zhuǎn)16-25年,或許還有兩次換料,使反響堆總壽數(shù)長達(dá)75年。正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間,核燃料發(fā)生的熱能,經(jīng)過充溢反響堆箱型容器的主冷卻劑熔鹽天然對流循環(huán),從堆芯傳輸出去。剩下的衰變熱,經(jīng)過反響堆箱體周圍的空氣天然循環(huán),接連排出。這些非能動的熱傳輸機(jī)制,保證不需求能動體系或泵,就能排出熱能或停關(guān)閉反響堆。

圖3:FLEX反響堆剖視圖

5.核燃料

反響堆堆芯由石墨砌體中的核燃料細(xì)棒陣列組成,而石墨塊占有箱體容器的大部分。每根燃料細(xì)棒插在獨(dú)自的石墨砌塊孔道中,熔鹽主冷卻劑就在燃料細(xì)棒與石墨孔道間流過。

燃料鹽

FLEX反響堆的核燃料是液態(tài)低濃縮鈾(濃縮度6%)氟化物鹽,裝在專利的、帶排氣的燃料細(xì)管內(nèi)。熔鹽燃料經(jīng)過天然對流在燃料管內(nèi)循環(huán),有利于熱量經(jīng)過管壁傳遞給細(xì)管外圍的熔鹽冷卻劑。燃料鹽的化學(xué)性能是經(jīng)過鈾氧化態(tài)組合安穩(wěn)氧化復(fù)原的,在與氟化鈉稀釋劑共晶混合物中充當(dāng)氧化復(fù)原緩沖劑,能堅持氧化復(fù)原電位,中和整個反響堆壽期內(nèi)發(fā)生的潛在腐蝕性的裂變產(chǎn)品。

核燃料鹽不與周邊的石墨觸摸,也不需求強(qiáng)制從反響堆堆芯進(jìn)入熱交換器。

燃料鹽一直與冷卻劑鹽堅持別離。冷卻劑鹽是另一種氟化物鹽,用來傳輸反響堆發(fā)生的熱能。但是,它們有或許互熔,并從根本上改動堆芯損害的效應(yīng)。在傳統(tǒng)反響堆內(nèi),堆芯損壞導(dǎo)致反響堆進(jìn)入非常風(fēng)險的狀況。但在FLEX反響堆內(nèi),即便嚴(yán)峻的堆芯損壞,仍然會使反響堆轉(zhuǎn)入安全狀況。例如,核燃料細(xì)管的缺陷會引起管壁破裂,由于燃料鹽將稀釋在大體積的冷卻劑熔鹽內(nèi),導(dǎo)致堆芯反響性降低。因而,堆芯損壞不會增加核電站作業(yè)人員或周邊大眾受到照耀的或許性。

圖4:堆芯石墨砌體與和燃料細(xì)棒

裂變氣體排出

在FLEX反響堆內(nèi),大部分裂變產(chǎn)品當(dāng)即被捕獲,成為不蒸發(fā)的鹽,并保留在燃料細(xì)管內(nèi)的燃料鹽內(nèi)。蒸發(fā)性的裂變氣體沒有當(dāng)即被燃料鹽捕獲,會經(jīng)過一系列氣泡捕集器,壽數(shù)較短的放射性同位素會在捕集器內(nèi)衰變,它們的衰變產(chǎn)品會困在燃料鹽內(nèi)。最風(fēng)險的放射性裂變氣體(氙-137衰變?yōu)橛泻Φ匿C-137),簡直徹底包括在氣泡捕集器內(nèi)。

氣泡器內(nèi)呈現(xiàn)的首要放射性氣體是氪-85。在反響堆換料周期內(nèi),這些氣體會積累在反響堆氣體空間。由于它的半衰期為10年,停役時許多仍會存在。由于是惰性氣體,沒有生物積累,一般的做法是把氪-85稀釋到微不足道的濃度,排入大氣。

但是,MoltexFLEX公司更傾向于捕獲并貯存這種氣體,直到簡直徹底衰變,大概需求50年。

圖5:核燃料細(xì)棒組件

6.非能動控制體系

換料后,堆內(nèi)后備反響性過大,要當(dāng)即憑借另外的中子吸收劑“中和”。這種吸收劑可熔于熔鹽冷卻劑,并經(jīng)過定時注入體系增加到主冷卻劑內(nèi)。這種中子吸收劑焚燒得很慢,要每隔幾周或幾個月補(bǔ)充一次。

為呼應(yīng)電力需求的改變,憑借類似于普通水銀溫度計、內(nèi)充液態(tài)中子吸收劑的新穎專利機(jī)制,供應(yīng)反響性改變的精密控制。冷卻劑溫度上升,這種機(jī)制會非能動地降低堆芯反響性,使反響堆能在不需求運(yùn)轉(zhuǎn)人員任何干涉的情況下,安全地呼應(yīng)反響堆傳輸給熱交換器熱量的改變。

7.余熱排出體系

核燃料細(xì)管便于燃料鹽與外圍冷卻劑鹽之間熱傳遞,冷卻劑鹽作業(yè)溫度高達(dá)770°C。加熱時,經(jīng)過石墨砌體通道,天然對流上升到反響堆頂部。熱的主冷卻劑進(jìn)入熱交換器,冷卻后返回堆芯底部,徹底靠非能動地“天然對流”。

FLEX反響堆的高溫輸出,可與GridReserve©相結(jié)合。GridReserve©便是個儲熱體系,把反響堆輸出的熱能貯存在大型熔鹽罐內(nèi)。這些鹽以后可用來發(fā)生蒸汽,從而經(jīng)過傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備,按照正常工業(yè)安全規(guī)范發(fā)電。每天電力需求高時,GridReserve©可使發(fā)電設(shè)備輸出反響堆額定功率幾倍的電力。

這個體系的眾多長處之一是,貯存熔鹽的流動無需反響堆操縱員控制。由于反響堆非能動地調(diào)理出力,發(fā)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)人員不必?fù)?dān)心改動或中止發(fā)電設(shè)備,對核反響堆運(yùn)轉(zhuǎn)有什么影響。

冷卻劑鹽

傳統(tǒng)核反響堆運(yùn)用的冷卻劑存在嚴(yán)峻的安全隱患。例如,因部件故障壓力下降,水可“閃蒸”成蒸汽。用鈉作冷卻劑的規(guī)劃曾引起火災(zāi)。任何高壓氣冷堆必須有安全體系,以管控壓力鴻溝呈現(xiàn)破口,從而導(dǎo)致堆芯失冷的結(jié)果。因而,從現(xiàn)有反響堆學(xué)到的首要經(jīng)驗是,運(yùn)用化學(xué)和物理上安穩(wěn)的常壓冷卻劑,如熔鹽。

FLEX反響堆運(yùn)用專利的鋁氟化物和鈉氟化物共晶混合物作為主冷卻劑。類似的鹽混合物已在鋁冶煉行業(yè)用了幾十年,堅信它與石墨慢化劑沒有相互作用。

熔鹽對金屬的腐蝕是業(yè)界長期存在的難題。在冷卻劑鹽內(nèi)熔入少數(shù)的鋁,鏟除任何或許泄入堆內(nèi)的氧氣,可防腐蝕。

剩下發(fā)熱

非能動排出余熱體系(RHRS)接連運(yùn)轉(zhuǎn),排出的熱量占反響堆額定功率的0.5%。為完成體系徹底“非能動”,值得接受這點(diǎn)丟失。它運(yùn)用空氣天然對流,冷卻反響堆箱體外層的底部、兩側(cè)和頂部。部分溫度限制在300~400°C。反響堆箱體外側(cè)與堆坑壁之間的空間,分為內(nèi)部和外部風(fēng)管,作為冷空氣發(fā)生的進(jìn)、出口。然后,空氣排入反響堆廠房(見圖6)。

圖6:余熱排出體系

假如反響堆額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)時徹底中止“散熱”,最初的高衰變熱會使反響堆升溫,比正常運(yùn)轉(zhuǎn)溫度高約50°C。爾后,經(jīng)過RHRS接連排出0.5%的額定熱能,直到溫度足夠低,相對運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下降的反響性溫度,足以重返臨界狀況。之后反響堆安穩(wěn)在滿功率的0.5%,直到電廠運(yùn)營者需求更多的熱量停止。

見地與思考

安穩(wěn)熔鹽堆(SSR)是英國化學(xué)家、Moltex動力公司董事會主席伊恩·斯科特(Ian Scott)的創(chuàng)造,方針是“讓清潔動力比化石燃料更廉價”。SSR有熔鹽堆的全部優(yōu)勢,是典型的先進(jìn)堆;但把熔鹽燃料的發(fā)熱與冷卻功用“別離”,僅用來替代水冷堆燃料組件的固態(tài)燃料芯塊,避開了熔鹽堆最棘手的應(yīng)戰(zhàn),看起來就像傳統(tǒng)水冷堆(PWR、BWR)那么熟悉……

FLEX型安穩(wěn)熔鹽堆是Moltex動力公司安穩(wěn)熔鹽熱譜堆(SSR-U)規(guī)劃[5]的簡化和改善。它簡化到極致,只剩下“核島”部分,僅靠固有、非能動規(guī)劃體系“天然循環(huán)”運(yùn)轉(zhuǎn)。凡有或許發(fā)生放射性反常的體系,均無“運(yùn)動”部件;與核控制區(qū)外的儲熱與慣例發(fā)電部分“耦合”,致使整個現(xiàn)場成為比規(guī)劃核容量高數(shù)倍、可調(diào)度的“儲能”設(shè)備。

FLEX型SSR有幾個專利規(guī)劃,還沒有給出詳細(xì)的規(guī)劃參數(shù)。但幾個參數(shù)令人印象深刻:

—初裝核燃料為低濃鈾(6%)氟化物鹽,簡直與傳統(tǒng)輕水堆的核燃料濃縮度相同;

—換料周期20-25年,電廠壽數(shù)75年;

—石墨慢化劑;

—可供應(yīng)750℃的熱能;

—募集私有資金制作,不靠國家贊助

……

在國際上,水冷PWR/BWR小型模塊式反響堆(SMR),NRC已給NuScale和BWRX-300型規(guī)劃頒布答應(yīng),第四代核能和先進(jìn)SMR開發(fā)已會集在高溫冶金后處理工藝和熔鹽堆,再花費(fèi)時刻和資源開發(fā)其他類型的先進(jìn)堆,價值不高。研討、開發(fā)SSR型熱譜和快譜堆是開展先進(jìn)SMR的捷徑,值得組織核能界深入探討、研討。

資料與注釋

[1]MoltexFLEX,New UK nuclear reactor offers lifeline amid energy crisis,September 29,2022.

[2]MoltexFLEX,The FLEX reactor:A technical description,September 2022.

[3]固有安全,inherently safe:依托物質(zhì)/物體固有賦性等天然規(guī)律保證安全,如水往低處流,冷熱空氣對流……

非能動安全,passive safety:毋需依靠外部輸入而執(zhí)行功用的;其功用的執(zhí)行是在感受到某種參數(shù),如壓力、溫度、流量的改變后完成的;基于不可逆動作或改變又非??煽康?,也屬此類。

[4]GridReserve©,Moltexn動力公司規(guī)劃的電(熱)網(wǎng)儲能設(shè)備,特指熔鹽(太陽鹽)儲熱罐及隸屬的管網(wǎng)設(shè)備(泵、閥等)。

[5]IAEA,Advances in Small Modular Reactor Technology Developments:A Supplement to:IAEA Advanced Reactors Information System(ARIS)p.221-224,Stable Salt Reactor–Thermal Spectrum(Moltex Energy,UK),2018 Edition.

 

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