稳定熔盐燃料反应堆系统概论

编译：杜铭海

2020-01-13

（1）

 引言

熔盐堆(MSR)是核时代初期构想出来的。比传统核反应堆有许多优势，但从未商用化。它能解决现代核能面临的安全、经济、资源和核废物处理难题，但还存在令工程师“恐惧”的工程现实问题。世界核电强国都在开发熔盐堆，现行的“规避”方案是现场“后备”堆芯模块，如加拿大的一体化熔盐堆（IMSR）和美国的拖尔康浮动巨轮熔盐堆（ThorCon）[1]。Moltex能源公司发明的稳定熔盐燃料反应堆（SSR），能克服工程师的恐惧,还有许多优势，推动着熔盐堆前进。与化石燃料相比，SSR的发电成本更低，电网规模上储能，可与间歇性的可再生能源互补，同时大量销毁现代流行的核反应堆产生的长寿命核废料[2]。

SSR从“概念证实”跨越“性能证实”，有可能一步达到“运行证实”，需要广泛的宣传、交流、质疑、集思广益，但更需要实践。目前Moltex公司正应邀为加拿大新不伦瑞克省电力部门在莱普罗角重水堆核电厂现场设计、开发稳定熔盐燃料-焚烧堆（SSR-W300）型核电厂[3]。

SSR概念涉及工程化学和反应堆物理专业知识。如有疑问，请核查原文，也欢迎批评指正。（dumhai@126.com） 

简目

 1. 熔盐堆（MSR）的共同优势

1.1. 挥发性源项低

传统核燃料中，对人类健康危害最大的两种核裂变产废物是铯和碘。在熔盐核燃料中，这些危险的裂变产物并不以气态形式存在，而是稳定的熔盐，不能通过空气传播。这在理论上与使用固态氧化物核燃料反应堆的类似严重事故相比，挥发性源项低6个数量级。

1.2. 运行压力低

熔盐的液态范围宽广，熔点在400以上，沸点高达1500。核岛内任何地方都不需要高压。这就减少了所有密封容器的应力，安全性上升，成本下降。

1.3. 热传输和抗辐照能力卓越

钠因热容量高，对中子透明，视为核反应堆的高效冷却剂。熔盐的体积热容量是钠的三倍多，意味着堆芯紧凑，冷却剂的流速可以较小。已经证明熔盐对辐射场有极强的耐受力。

1.4. 核燃料循环与后处理特别简单

已经证明“湿法”后处理不经济。熔态盐的后处理设施更紧凑，也更简单。对于液态核燃料，并不需要混合氧化物（MOX）燃料要求的高纯度和严格精度。在某些配置条件下，可实现在线分离钍增殖的U-233，使钍增殖成为可能。

1.5. 反应性反馈极强

熔盐燃料受热比固体燃料膨胀大得多，这使熔盐堆具有很强的反应性负温度系数，使之更容易控制，也更安全。 

2. 熔盐堆（MSR）的共同挑战 

2.1. 裂变产物与裂变遍及反应堆系统

历史上，所有熔盐堆的设计都把核燃料和冷却剂混合在一起。因此，所有的裂变产物(大约占元素周期表的三分之一)在整个装置内循环，沉积在部件表面上，产生反应性扰动，或引入复杂的腐蚀行为。这使得设备规范和化学管理极其困难。核燃料/冷却剂混合物还有极强的放射性，有很强的伽马辐射，每升上千瓦。由于它在装置内循环，因此必须假定有泄漏的可能性，而且人员不能接近反应堆主系统。所有的维护和修理必须是远程的。

2.2. 材料的挑战

熔盐对金属有很强的腐蚀性，除非对其化学性质加以控制，确保强还原性。在许多MSR设计中，必须使盐的还原程度足以控制腐蚀，盐的熔点低到可以接受，通过盐使铀盐还原为金属铀，这三者之间达到平衡。实现这种困难的平衡，可能需要有低腐蚀电位的特殊金属合金。一直用高镍合金减缓腐蚀，但仍然是个持续的挑战，而且合金与熔盐接触，很难达到长寿命。更具挑战性的是证实长寿命商用核反应堆的安全性。

2.3. 与IAEA的核保障监督程序不相容

现今世界上所有的核燃料都按照国际原子能机构（IAEA）的核保障监督程序进行跟踪。液态燃料通过系统循环，更容易转移而且不易“发现”，所以需要新的程序。IAEA核安全保障专家评论认为，这类新程序需要10-20年的时间，才能达成一致。

2.4. 废气处理需要严格的管理措施

气态裂变产物不断地产生，如果盐化学没有得到适当控制，就会产生挥发性的放射性碘。这就须要对那些燃料盐会排出气体的系统进行管理。上个世纪60年代就曾这么做过，但出现了某些问题，商用化前还需要进行广泛的研究。

2.5. 缺少精准的中子学与热工流体连接程序

今天的核仿真程序是多年前开发和验证的，基于燃料管内的裂变事件，冷却剂把热能传给热交换器。传统的MSR，产生的热能直接进入燃料/冷却剂混合物，需要更复杂的模型同时跟踪核材料和热传输。特别是，堆内的燃料和冷却剂混合物通过热交换器循环，对反应堆稳定性至关重要的“缓发中子”，可能被“携带”出反应堆堆芯。这需要多年的开发，没有运行的反应堆，很难充分验证。 

3. 稳定熔盐燃料反应堆（SSR）的解决方案

稳定熔盐燃料反应堆（SSR）拥有普通熔盐堆的所有优点，也克服前述的难题。

3.1. 避开循环高放核燃料的工程复杂性

和所有正在运行的其他反应堆一样，核材料“包含”在燃料组件的燃料细管内。Moltex能源公司已获得在燃料组件内使用熔盐燃料的国际专利。标准工业级的泵和容器可用于单独的、低放射性的冷却剂盐。所需的部件很少。

3.2. 有可能简单、非能动地控制氧化还原反应，因此可用现已证实合格的合金

Moltex能源公司已获得新的熔盐化学控制机制的各种专利。对于燃料，使用牺牲阳极(锆)保持熔盐处于强还原态。这可确保铬或其他元素不会从燃料细管内通过管壁渗透到循环的冷却剂盐中。可以使用标准钢材，已有适用钢材(任何适用于钠冷快堆辐照的钢材)的辐照数据。同样的氧化还原控制，基本上消除了放射性碘通过挥发性碲的化合物向外释放。这是其他的MSR、用另外的盐或燃料盐泵不可能实现的。

3.3. 遵守国际原子能机构（IAEA）现行的核保障措施议定书

由于燃料在传统燃料组件内，可按照现行的国际最佳实践进行跟踪。

3.4. 非能动排出废气

因为气态铯和碘的释放量不大，可用燃料组件顶部的单向释放孔排气，因此燃料细管内不会产生压力。这些气体最初搜集在燃料细管的上部静压腔内，然后聚集在反应堆气密封的安全壳内，只以受控的方式，通过反应堆安全壳空气闸门排入大气。这种机制，确保氙的高放射性衰变产物滞留在燃料管内，并不排入大气。

3.5. 所有暴露在高中子通量下的材料都在消耗性燃料组件内

钠冷快堆内，钠对中子高度透明，因此堆芯之外的许多部件遭受严重损伤。SSR的熔态氟化物冷却剂盐含有铪（Ha），是良好的中子屏蔽，可保护堆芯之外的所有部件。只有在反应堆堆芯的燃料组件，才暴露在高中子通量下。 

4. 稳定熔盐堆（SSR）的其他特征

4.1. 紧凑型设计

如上面强调的，SSR所需部件很少，显然直接与总成本相关。另一个结果是总体尺寸/占地面积小得多。从经济角度看，这个关键效益导致基建和运行成本较低。

SSR的燃料盐和冷却剂盐低压而且化学稳定性，意味着可采用很简单的工程系统。如图1所示，这意味着，SSR可比同样发电容量的其他反应堆显著地小。图1左边是与现代1000 MWe压水堆比较，右边是NuScale型iPWR（一体化压水堆模块，50 MWe）[4]与SSR型150 MWe 模块的比较。目前公认两者是当今市场的创新型、最具成本效益的堆型。

SSR型1000 MWe机组的外形尺寸为30m x 17m x 8m，与图中外形尺寸高82m、直径40m的AP1000形成鲜明对比。很显然，这么小的外形设计，意味着建筑成本低。对于Moltex能源公司的客户，还意味着设计成本低，未来的运输成本低。

图1. SSR-W1000与AP1000核电机组(左)、SSR-W-150与NuScale-50 模块的建筑规模比较 

见多识广的读者会注意到，这种比较并不完全是“同类”的比较，就像PWR和NuScale型模块，都包含核岛和反应堆屏蔽厂房内的所有蒸汽发电硬件。不过，这才是重点!  SSR型核电机组的设计，让所有复杂和危险的高压设备都在核岛之外；在许多情况下，甚至可在需要获得监管部门颁证的核“现场”之外。因此，它的成本与化石燃料电厂类似，远低于核电厂。

4.2. 模块化建造

小型模块式反应堆（SMR）或许得益于“单元”机组模块化的低成本。然而，现在需要许多小型反应堆，丢失了“规模”经济。但是，SSR把这两个概念结合起来了。用简单的小模块组成大型电厂，实现模块化建设和规模经济的“双重”效益。图2说明模块如何放置在长方形箱体内，构成1200 MWe的反应堆。模块只有18米长，可用合适的卡车运输。

                                 

图2. SSR-W模块的等角视图和箱体内8个模块的平面图例 

4.3. 不停堆连续装卸料

换料方式与“坎杜”（CANDU）堆[5]类似。如图4所示，乏燃料组件从一边出堆，新燃料组件从另一边入堆。堆芯没有过多的“后备”反应性，以减少需求的控制棒数量，提高安全性。避免热瞬态对材料寿命的影响。

新燃料组件从堆芯外围冷却剂边缘插入，燃料一旦熔化，即移动入堆芯，此后不得垂直移动。燃料一旦耗竭，即从堆芯另一侧移到外围冷却剂边缘，经冷却后移出。

 

图3. SSR-W模块俯视图与装料方向说明 

4.4. 标准汽轮发电机带基荷运行与网上调峰储热 

主冷却剂循环温度范围525-650℃。这个温度使得可用化石燃料发电行业用的标准过热汽轮机。汽机和整个蒸汽岛也在核授权区域之外，除了潜在的外部风险，与核装置的安全状况无关。这使得基建成本大大减少，也降低了运行成本。

SSR的第三盐回路出口温度550℃。这种热盐可储在大型、廉价的储热盐罐内，以便只在需要时把热能转化为蒸汽发电。任何规模的储热盐罐和汽轮发电机，都可使用这种温度的蒸汽。1GWe的SSR基建成本$1,700/kW。1GWe的SSR外带3台1GW的汽轮发电机和6GWh的储热能力，因为成了装机容量3GWe的发电厂，降低负荷因子运行，成本约为 $750/kW。这个电厂的基建成本，实际上比同样的、以典型容量因子运行的联合循环燃气轮机发电厂还低。麻省理工学院(MIT)和伯克利大学进行了研究。以这种方式灵活运行，在德克萨斯州，发电的价值提升42%，在加州提升67% [6]。

4.5. 冷却剂整体电化学调制与过滤 

•  为监测和控制反应堆，安装了几个简单的监测系统。

•  检测铪的含量，数月至数年之后，铪在冷却液内耗尽时补充。它使冷却剂起到中子屏蔽的作用。

•  从覆盖气体中连续提取镉和锆的四氯化物蒸汽，冷凝阱就能简单地去除这种“蒸汽”。

•  其他气体主要是惰性气体，经充分衰变，可排入大气。

冷却剂盐保持化学还原、无腐蚀状态，通过插入反应堆冷却剂箱体内“可更换模块”的连续电化学过程，排除任何污染的氧。使用ZrF₄作为冷却剂盐，确保任何微量的氧先成为络合物，然后以高度稳定的锆化合物形态电化学去除。锆(ZrF₂)以低价形态存在，确保整个冷却剂盐系统内盐的化学还原状态保持不变，即使局部进入少量空气或水，也不会改变。

4.6. 非能动余热排出–“简易实现”安全[7]

应急冷却系统包括反应堆箱体周围的风管，只靠空气自然对流通过箱体连续循环。这与PRISM[8]等其它反应堆类似。然而，Moltex系统的优势在于，它可带走小型大功率反应堆的衰变热，而PRISM那样的反应堆则不可能。Moltex系统依赖新颖的方法捕俘反应堆箱体壁辐射的热。箱体的散热片表面积大，再把热量传给循环的冷空气。该系统已申请专利，与传统认可的系统相比，这种非能动的空气冷却系统可用于更强大、更紧凑的反应堆。

4.7. SMR的共同利益

SSR还得益于SMR设计的各种优点，包括：

• 融资成本降低：设计和建设周期较短，意味着贷款总额较少，融资成本较低。

• 非现场施工：在场外建造反应堆，约束条件较少(例如，使用工具方便，或在同一场地与其他公司密切合作)。建造商也可从其典型工厂配置（即原有的设备和技能）获益。

• 模块化：用更小的模块组装反应堆，可组装多次。从一个模块到下一个模块获得的知识、经验和反应堆用的材料产生规模经济，比“定制”反应堆的规模大得多。

• 数字化生产线管理：堆内部件的生产线已数字化，精简流程还可确保高效率。

（待续）