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2022年9月30日 星期五
双液流反应堆:能彻底“重塑”核能系统
所属分类:技术前沿
来源: 中国能源网
作者: 镜清
更新日期:2022-09-15

英国核能杂志《国际核工程》8月24日发表文章,介绍双液流能源公司(Dual Fluid Energy)提出的燃料和冷却循环分离的双液流反应堆(DFR)设计,说它能彻底重塑核能系统:堆芯紧凑,功率密度最高,经简化经济效率比现代轻水堆(LWR)高20倍,能燃烧乏核燃料,而且固有地安全[1]。

双液流反应堆工作原理

双液流能源公司(Dual Fluid)正在开发新型核能技术,关键因素是高效率。它开发的双液流反应堆(DFR)包含两个循环流体,一个携带核燃料,另一个传输热能。按照传统堆型定义,DFR属铅冷堆型,但双液流能源公司认为,它“完全重新定义了核能”,使核燃料的利用“比现代轻水堆高百倍”,液态铅冷却剂“1000℃的运行温度,可用于新的热应用工艺流程”,所以有些特殊。


图1:双液流反应堆(DFR)工作流程示意图

Dual Fluid是德国的一家核技术初创企业,但于2021年在温哥华注册成为一家上市公司,以便更好地受益于加拿大对小型模块式反应堆(SMR)发展的有利安排。Dual Fluid说,“加拿大政府把SMR作为一项未来的技术来推广”,“而且大多数人认为核电是个机遇。”

此外,“加拿大与德国不同,在核技术方面经验丰富,而且核专业知识从未间断。”“最后但并非不重要的一点是,有个国际认可的核监管许可机构。”

LWR:不“完美”的技术

Dual Fluid认为,全世界普遍使用的轻水堆效率低下,因为只能把约1%的天然铀转化为电力。此外,核燃料在低温下“燃耗”,不可能用于“有价值的高温化学工艺”。

这种不那么“好”的技术在上世纪中期是如何战胜已有的、更有前景设计的? Dual Fluid认为,答案是它的军事优势:使用“固体”燃料棒的反应堆,非常适宜给潜艇提供动力,而且可以简单的方式为核武器提供钚,因此放弃了其他更适合民用的概念。几十年来,仍在使用同样的轻水堆技术,因为核燃料的能量密度高,提供的能源如此之多,即使低效的核电站也将“有利可图”。

在没有商用开发的早期设计中,有两种堆型脱颖而出:一种是液体核燃料;另一种是液态铅冷却剂。上个世纪60年代,美国成功地运行了液体燃料的实验性反应堆(MSR,熔盐堆),能更好地利用核燃料。然而,由于燃料盐也传输热能,功率密度受到限制,这两种功能难以协调。俄罗斯在上个世纪70年代,为其潜艇舰队建造了高性能的铅冷快堆(LFR),使用的是固体燃料棒,燃料供应和再循环都很困难。

双液流概念是快堆设计,旨在以全新的设计,把熔盐堆和铅冷堆的优势结合起来。关键的创新是在堆芯使用两种液流。液态燃料可在约1000℃下发挥它的全部威力(典型的轻水堆,出口温度为320℃),而液态的铅“专侍”热传输。

DFR:功率密度高

Dual Fluid说,在核技术领域,这个原理是全新的。决定性的优势是,系统结构紧凑,功率密度高,冷却剂出口温度高。

燃料流速缓慢,可以达到最佳燃耗率;冷却剂高速循环,可以使传热速度最佳。因此,可以让高浓度的液态燃料(锕系金属元素混合物)在耐高温、抗腐蚀的管束内缓慢流动,显著增加堆芯内可裂变材料的数量。堆芯紧凑,所需结构材料的数量少,就可使用昂贵、耐高温、耐腐蚀的结构材料。使用液态铅做冷却剂,也可不降低堆芯中子速度(能量)地传输热能。

功率密度高与效率高相辅相成,额定功率300MWe的小型双液流堆芯的效率是现代轻水堆(LWR)的8-10倍。堆芯尺寸越大,功率密度和效率越高。

因为DFR是快谱堆,运行时中子通量过剩。这种堆与核燃料再循环装置相结合,可充分利用任何可裂变的材料,包括钍、天然铀、贫铀和现代反应堆卸出的“乏”(即“用过的”)核燃料。


图2:DFR特色:功率密度高,成本低[2]

重新定义核能

Dual Fluid认为,核燃料和冷却剂“分隔”循环的原理完全重新定义了核能。与液态核燃料再循环装置相结合,装入堆芯的所有核燃料都能有效地使用,无需最终“处置库”。

双液流原理不局限于SMR,但首次实现这个概念,最好是个SMR,额定功率约300 MWe,即DF300(见图3)。


图 3:300MWe型双液流核电装置(DF300)

在DF300型模块化核电厂,核燃料以密封的燃料筒形式运达,经加热呈液态泵入反应堆堆芯,换料周期长达25年;乏核燃料仍以密封的燃料筒形式运出,“再循环”处理复用。

更大的堆芯如DF1500型核电厂(1500 MWe/ 3000 MWt,见图4),核燃料装载量更大,可在核电厂内附设个“乏燃料再循环装置”,使电厂成为最简单、完整的核燃料闭环运行系统。

图4:DF1500型核电厂+现场乏燃料再循环结构。核燃料不断予以处理,所有可裂变物质返回到堆内;残余物只需储存~300年。

DFR的核燃料再循环工艺,与传统的、基于PUREX工艺即湿法化学后处理系统有本质的区别。在液态核燃料再循环装置内,轻水堆的乏燃料首先转化为液态的盐,再用蒸馏分离各种组份。然后,所有可裂变材料与新燃料混合,返回反应堆堆芯。这在核工业内是早就确立的工艺流程[3]。

Dual Fluid认为,这种基于高温化学蒸馏再循环的方法,能充分利用任何可裂变材料,首次实现核燃料链真正的循环经济。

除发电之外,DF1500型核电厂装机容量3000 MWt,特别适合能源密集型的热应用,如制氢和合成燃料。现今的“绿色”制氢工艺能量损失大,强大的核热源为高温蒸汽电解(HTE)开辟了可能性,比目前的工艺更高效。Dual Fluid估计,HTE制氢的成本,可能比目前风力发电的绿色制氢成本低很多,与甲烷蒸汽重整制氢相比,更有成本竞争力。

能源投资回报

电厂的能源投资回报率(EROI)是在整个寿期(包括建设、运行、燃料、退役)内获得的能量与消耗的总能量的比值,是衡量能源系统先进性的终极考核指标。

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化石燃料发电厂的能源回报率约为30。太阳能和风能包括储能,还都不到10。

虽然30倍的能源回报率使工业革命成为可能,足以供应今天的工业化国家,但退回到效率较低的技术等于倒退,能源将变得越来越稀缺和昂贵,可能导致生活水平下降。现代、对人类和自然友好的社会,必须努力以低成本、生态污染小的方式提供大量可靠的能源,“能量密度高的燃料可以实现这一点。”

现代轻水堆的能源回报率约为100,意味着它们的性能是化石燃料发电厂的三倍。听起来不错的东西,实际上意味着性能不佳,因为核裂变释放的能量不是化石燃料燃烧过程的三倍,而是数百万倍。

为什么今天的核能与它的潜力,差距这么大?

典型的轻水堆包含的能源消耗显示(见图5),80%的能源支出用来提供和处理燃料,即铀的开采和提炼以及燃料元件的生产、再循环和处置。这个数字太高,因为现代反应堆只能将开采的铀中微不足道的一小部分(约1%)转化为有用的能源。其余的大部分与裂变产物混合,要作为核废物“处置”。


图5:在目前低效燃料循环下,典型轻水反应堆寿期能耗

因此,今天的LWR发电,不是高收益或盈利大的系统。高昂的投资成本和监管要求,完全抵消了它与化石燃料发电厂的“比较”能源优势。总的来说,核裂变的潜力大部分没有得到利用。

新一代反应堆(“第四代”)的效率能逐渐提高,但不会有很大的提高。因为要保留“燃料棒”概念,某些概念还建立在旧的熔盐堆设计上。同一液流既携带燃料又用来传输热量,致使两种功能的结果都不理想。英国Moltex 能源公司的SSR设计是个例外,它选择在固体燃料细棒中装入液态燃料[4]。

双液流反应堆设计,Dual Fluid称之为“第五代”核能,采用集中式液体燃料和液铅冷却剂,与核燃料再循环装置相结合,能把与燃料相关的能源消耗降到最少(见图6中蓝色区域)。如前所述,由于功率密度高(如图中绿色区域所示),系统相对紧凑,也提高了效率。

总的来说,DF300型核电厂的能源消耗,可降到典型LWR的1/10,必然会降低成本。实际上,能量回报率增加,取决于反应堆的规模,DF300为800-1000;而DF1500约为2000。图7是双液流型反应堆与其他能源的投资回报率的对比。


图6: 双液流(DF300型模块化核电厂)的能源需求:与LWR相比降到1/10


图7: 相对于双液流熔盐堆,现有各种能源的能源投资回报率

双液流反应堆内“分隔”两种液流的材料,必须有足够的导热性和耐腐蚀性能,无论是铅还是燃料盐,都是一种熔融的液态金属。与热中子反应堆条件相比,结构性的管壁材料有多种选择,主要因为快堆的中子俘获截面小。原则上合适的材料早已存在了几十年,但含稀有、昂贵的化学元素。对于传统的反应堆技术和现代熔盐概念,这可能是个问题,因为功率密度低,需要大量的结构材料。但这不适用于双液流系统,它可使用一系列现代工业材料,即使贵金属也可以作为合金的组份,对系统的总成本影响不大。

这类材料的例子是难熔的金属合金或高度耐腐蚀的陶瓷,如硅、钛或碳化锆。近几十年来,这些材料越来越多地用于极端条件下的工业应用。此外,也可在涂层中添加氧化钇等组份,能抗1500℃的纯铀。由于堆芯的温度远低于这个温度,核燃料不是纯铀,而是铀铬混合物。因此,Dual Fluid公司认为,确定最合适的材料是一项“可以解决的开发任务”。

安全特征

双液流设计最重要的安全特性是反应堆瞬间自动调节,这是通过非常“负”的反应性温度系数实现的。如温度升高,核燃料膨胀。结果,反应性立即下降,温度随之下降。这种反应堆是完全自调的,不可能发生切尔诺贝利那样的堆功率“暴涨”。

系统升温超过正常运行温度限值,“只可能由燃料组份不正确”引起,“冷冻塞”熔化,提供附加的安全保护。

冷冻塞(见图8)是燃料循环管路最低点附近“能动”冷却的管段。它靠外部“能动”冷却,局部冻结“隔离”下游出口。如燃料过热,燃料冷冻塞“融化”,液态燃料靠重力泄入次临界配置的燃料罐。链式裂变反应立即停止,衰变热完全非能动排出,不会发生日本福岛那类的事故。这个简单的控制系统概念极为可靠,早在上个世纪60年代在美国熔盐堆实验装置(MSRE)上已证实了它的价值。


图8:熔盐冷冻塞示意图

为有效地抵御猛烈的冲击和地震,核电站的核心部件置于地下厚壁的“堆坑”内。即使在可能发生最严重事故时,出现与核燃料环路相关的泄漏,也不会有放射性物质泄漏,进入外环境。因为没有显著的驱动压力,也不会发生爆炸。

连续生产路线图

经过十多年的基础研发之后(主要在柏林固体核物理研究所进行),目前双液流技术还处于“技术准备”阶段,即TRL3。商业部署的下一步是“组件测试”,见图9。


图9系列产品可能的大事年表(* 技术准备水平;** 预测)

作为获得“许可”的基础,Dual Fluid公司的学术合作伙伴,正在对系统的稳定性进行分析;“种子轮”融资已在2021年6月顺利完成[5]。

如果一切按计划进行,希望十年内建成原型装置,随后很快开始批量生产。

见解与思考

人类社会的进步离不开能源。但以化石燃料为主的现代能源促成全球气候暖化和环境危机,“俄乌冲突”又凸显了能源独立的重要性。世界能源问题的最终解决离不开核能,形势的演变强调发展核能的紧迫性。

世界对核能的认识,也在发生急剧的变化。现代轻水堆技术为主的潮流正转向更安全、可靠的小型模块式反应堆(SMR)和非水冷的先进堆。“第四代”核能系统中六个主流堆型,显得有点“过时”,还在研发、建造钠冷堆(SFR)和铅冷堆(LFR)的寥寥无几,但熔盐技术和熔盐堆却如雨后春笋。

在熔盐技术和熔盐堆研发中,加拿大的IMSR在谨慎地“继承”上个世纪60-70年代美国熔盐堆实验装置(MSRE)的技术成果;美国和中国的MCFR 、FHR和TMSR已在探索、发展熔盐堆新技术;英国Moltex能源公司的SSR用成熟的LWR工程技术,消除了熔盐堆令工程师“恐惧”的工程技术问题;德国的双液流反应堆(DFR)则用液铅冷却剂,把熔盐堆技术推到了其他堆型难于企及的“高度”。


图10:IMSR,FHR,TMSR,MCFR,SSR,DFR图略

DFR概念的先进性是其他非水冷先进堆难以企及的。但推进任何先进堆概念,急需通过工程技术实践加以证实。先要有个熔盐堆和铅冷堆实验装置“运转”起来,证明各自的实践性,加拿大、美国和俄罗斯正在这么做(如SSR-W,MCRE和Brest-OD-300)[6],联合的最优化达到“极致”是水到渠成的事。

要使学界、工程界和核能企业普遍接受液态核燃料和液态铅冷却剂,像固体核燃料和轻水冷却剂那样,就要发挥学者、工程师和核能运行-维修人员三方的聪明和智慧,实行“三结合”,以尽快地让熔盐燃料和铅冷技术“流行”起来。

好在从上个世纪60-70年代开始,特别是近些年以来,核工程技术的巨大进步,让工程师们“恐惧”的难题有“解”了;耐高温、抗腐蚀的材料“过关”了,严苛环境条件下运行参数的监督和控制工具开发出来了,数字技术和异常问题处理的人工智能和机械人技术正在成熟,各种现场环境条件下的运行和维护难题,可以及时得到解决,过渡到“极致”需要的时间,也许不会太久……

资料与注释

[1] NEI, Reinvented: The Dual Fluid principle, 24 August 2022

[2] DUAL FLUID, Reinventing Nuclear, 2022

[3] Dominik Böhm et al., NEW METHODS FOR NUCLEAR WASTE TREATMENT OF THE DUAL FLUID REACTOR CONCEPT, Acta Physica Polonica B, January 7, 2020

[4]杜铭海,SSR-W型熔盐堆燃料开发的“里程碑”意义,《中国能源网》电力-核电,2020-05-29

[5] “种子轮”融资,也称“种子融资”,是最早阶段进行的融资方式。虽然大多数初创企业都依靠创始人自己的或其直系亲属和朋友的资金,某些企业也会寻求第三方的“种子融资”,这是一种最早期阶段进行的融资方式。

[6] SSR-W:英国Moltex能源公司设计,已与加拿大安大略电力公司的核可持续性发展中心、新不伦瑞克电力公司达成合作协议,厂址选在该省唯一的坎杜堆核电站莱普瑞奥角(Point Lepreau)厂址上。目前已通过加拿大核安全委员会(CNSC)的“颁证前供应商设计审查”(VDR)三个阶段的第一阶段,目前处于第二阶段,供应商坚持20年代末建成发电;MCRE:即MCFR的原型堆实验装置,0.5 MWt,泰拉能源与南方公司出资,建在INL科技园区现场,仅无常规岛部分,2025年底建成达临界;Brest-OD-300:示范铅冷快堆核电站,俄罗斯国家核能公司Rosatom 出资,建在俄罗斯谢维尔斯克市附近(靠近托木斯克)已开工,计划2026年建成发电。


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