去年秋天，英國(guó)熔鹽核技術(shù)開發(fā)商Moltex Energy成立子公司Moltex FLEX，以開發(fā)其FLEX反應(yīng)堆——這是該公司SSR設(shè)計(jì)的最新應(yīng)用。

1、FLEX反應(yīng)堆

藝術(shù)家展示了一個(gè)典型的FLEX反應(yīng)堆陣列——右邊32棟建筑。在左邊，可以看到渦輪機(jī)島旁邊的藍(lán)色GridReseve儲(chǔ)罐(由MoltexFLEX提供)。

FLEX反應(yīng)堆是Moltex Energy公司全球?qū)＠麢?quán)穩(wěn)定鹽反應(yīng)堆(SSR)技術(shù)的熱譜版本，使用石墨作為慢化劑。

該技術(shù)與Moltex FLEX的姊妹公司Moltex Energy Canada共享，公司正在開發(fā)快速譜版本(SSR-W)和WAste-To-Stable Salt(WATSS)工藝，該工藝將用回收的乏燃料生產(chǎn)反應(yīng)堆燃料。

Moltex的SSR電廠想象圖(圖源: Moltex)

與所有其他熔鹽反應(yīng)堆相比，SSR的根本獨(dú)特之處在于，它們將放射性燃料鹽限制在類似于傳統(tǒng)反應(yīng)堆中燃料組件的管道中。其后，一種單獨(dú)的非放射性熔鹽將熱量從反應(yīng)堆堆芯轉(zhuǎn)移到熱交換器。

在其他熔鹽堆中，燃料也是冷卻劑，復(fù)雜的燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)——泵、過濾器、調(diào)節(jié)裝置和熱交換器——暴露在放射性燃料鹽中。

這對(duì)這些部件提出了嚴(yán)峻的要求，并使維護(hù)變得具有挑戰(zhàn)性，而這些工程挑戰(zhàn)可以說是這些反應(yīng)堆目前未被商業(yè)使用的關(guān)鍵原因。

2、一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案

該示意圖顯示了FLEX反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性——將放射性燃料鹽保留在管道中，簡(jiǎn)化了腐蝕控制挑戰(zhàn)，并且反應(yīng)堆島中的自然對(duì)流取代了泵送流(圖源：MoltexFLEX)

FLEX反應(yīng)堆是該公司早期熱譜設(shè)計(jì)SSR-U的演變。Moltex FLEX于2022年9月在英國(guó)推出，旨在全球推廣FLEX設(shè)計(jì)并開發(fā)SSR技術(shù)。

FLEX反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)考慮到了簡(jiǎn)單性，體積小，模塊化，允許大多數(shù)部件在工廠生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了可運(yùn)輸性，減少了現(xiàn)場(chǎng)工作，加快了施工速度，所有這些都將總成本降至最低。

它是一種低壓設(shè)計(jì)，使用自然對(duì)流進(jìn)行所有熱傳遞——這消除了對(duì)泵或任何其他移動(dòng)部件以及昂貴高壓安全殼結(jié)構(gòu)的需求。

只要可能，F(xiàn)LEX反應(yīng)堆將使用核工業(yè)中已經(jīng)證明的材料和技術(shù)，通過消除對(duì)廣泛研究計(jì)劃的需求，使安全和設(shè)計(jì)驗(yàn)證更快、更容易。

MoltexFLEX的主要目標(biāo)是將FLEX反應(yīng)堆快速推向市場(chǎng)，在全球范圍內(nèi)快速部署核能大軍。

這就是選擇低濃縮鈾作為燃料原料的原因之一——這種材料現(xiàn)在已經(jīng)可用，并且在沒有制定新的保障協(xié)議的情況下，被世界各地普遍接受。

該公司的目標(biāo)是在本世紀(jì)末生產(chǎn)出第一家同類工廠。

FLEX反應(yīng)堆本質(zhì)上是被動(dòng)安全的。設(shè)計(jì)核心理念是通過技術(shù)的基本特征以及管理剩余風(fēng)險(xiǎn)的被動(dòng)措施，來減少或消除危險(xiǎn)。

該剖面圖顯示了FLEX反應(yīng)堆背后的設(shè)計(jì)理念——保持工程盡可能簡(jiǎn)單(圖源：MoltexFLEX)

依賴于固有的安全特征，如將揮發(fā)性裂變產(chǎn)物作為鹽容納在燃料鹽中，以及被動(dòng)控制系統(tǒng)，如熔融鹽隨溫度的膨脹和收縮，以從堆芯插入或取出中子毒物，從而控制反應(yīng)堆。

與其他反應(yīng)堆技術(shù)相比，這種方法提供了相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，這些技術(shù)在很大程度上依賴于具有復(fù)雜備份系統(tǒng)的主動(dòng)安全系統(tǒng)來確保運(yùn)行的可靠性。

FLEX反應(yīng)堆的開發(fā)，是為了用與燃燒化石燃料相當(dāng)?shù)某杀精@取能源。

此外，隨著超臨界二氧化碳渦輪機(jī)等技術(shù)的成熟，其750℃高溫輸出為更高效的能源轉(zhuǎn)換提供了潛力。

考慮到深度脫碳所涉及的巨大挑戰(zhàn)，經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)高溫?zé)岬哪芰⑴c生產(chǎn)低成本電力一樣重要。

3、補(bǔ)充可再生能源

FLEX反應(yīng)堆的輸出溫度，使熱能可以在熔鹽GridReserve®系統(tǒng)中高效儲(chǔ)存數(shù)小時(shí)或數(shù)天。

當(dāng)需求超過供應(yīng)時(shí)，可以釋放這種能源，使FLEX和GridReserve®系統(tǒng)能夠通過快速響應(yīng)需求變化和提供可調(diào)度的發(fā)電來解決產(chǎn)量下降的問題，從而補(bǔ)充間歇性可再生能源。

由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因，常規(guī)核電站無法提供這種靈活性。

FLEX反應(yīng)堆的輸出熱量可直接用于并網(wǎng)和離網(wǎng)發(fā)電或下游應(yīng)用，包括：

用于區(qū)域供暖或工業(yè)過程的直接熱量(歐洲工業(yè)中多達(dá)三分之二的熱量使用低于700℃);

高溫電解生產(chǎn)清潔氫氣(FLEX反應(yīng)堆還可以支持更有效的氫氣熱化學(xué)生產(chǎn));

作為海水淡化廠的電源。

此外，F(xiàn)LEX反應(yīng)堆可以重新配置用于海洋應(yīng)用，主要用于船舶推進(jìn)。

FLEX反應(yīng)堆輸出40 MWt，相當(dāng)于16 MWe;熱量的生產(chǎn)成本為10英鎊/ MWh(12.4美元/ MWh)，而電力的生產(chǎn)成本約為30英鎊/ MWh(37.3美元/ MWh)。

每個(gè)反應(yīng)堆的占地面積與典型的三居室房屋相似，可以單獨(dú)部署，也可以以任何數(shù)量的陣列部署，以提供千兆瓦級(jí)別的能量。

例如，32個(gè)單元的陣列可以與GridReserve®儲(chǔ)熱設(shè)施結(jié)合部署，以在8小時(shí)的峰值需求下提供1.5 GWe。

熱輸出通過熔鹽熱交換器傳遞到位于核島外的GridReserve®儲(chǔ)罐。然后，這些儲(chǔ)存的熱量可以用于產(chǎn)生過熱蒸汽，以驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)化石燃料工廠中使用的傳統(tǒng)渦輪機(jī)。

這種配置基本沒有問題，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)相比，F(xiàn)LEX反應(yīng)堆的安全性完全獨(dú)立于由儲(chǔ)熱和發(fā)電廠提供的散熱器。

4、反應(yīng)堆內(nèi)部

燃料——一種低濃縮氟化鈾——和一次冷卻劑都由熔鹽組成，通過鹽的化學(xué)成分控制腐蝕，防止氧化和浸出。

燃料鹽包含在鋼管中，每個(gè)鋼管放置在石墨基質(zhì)慢化劑中的單獨(dú)通道中，形成反應(yīng)堆堆芯。

堆芯位于反應(yīng)堆容器內(nèi)，容器內(nèi)裝有一次冷卻劑。該容器被放置在地下的混凝土坑中，并用混凝土護(hù)罩覆蓋。對(duì)流使熔化的燃料鹽在燃料管內(nèi)循環(huán)，熱量通過管壁傳遞到周圍的冷卻劑。

在正常運(yùn)行期間，燃料的熱量通過反應(yīng)堆水箱內(nèi)一次冷卻劑鹽的自然對(duì)流從堆芯中排出。

殘余衰變熱通過儲(chǔ)罐周圍空氣的自然循環(huán)不斷去除。這些被動(dòng)機(jī)構(gòu)確保不需要主動(dòng)系統(tǒng)或泵來進(jìn)行排熱或關(guān)閉。

5、最新開發(fā)工作

熔鹽提純廠(圖源：Kairos Power)

Moltex FLEX的內(nèi)部開發(fā)團(tuán)隊(duì)在過去一年中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

例如，該公司最近與科學(xué)儀器制造商Anton Paar合作，在柴郡沃靈頓的MoltexFLEX實(shí)驗(yàn)室的氣候控制惰性氣體手套箱內(nèi)安裝了一臺(tái)流變儀，這是英國(guó)獨(dú)有的裝置。

該裝置能夠在高達(dá)1000℃的溫度下測(cè)量熔鹽的粘度和密度，流變儀現(xiàn)在正在生成關(guān)于FLEX反應(yīng)堆的擬議燃料和冷卻劑鹽的行為數(shù)據(jù)，這些材料特性迄今為止很少探索。

此外，Moltex FLEX正在與外部合作伙伴合作進(jìn)行研究。

作為工業(yè)合作計(jì)劃的一部分，得益于亨利·羅伊斯研究所的資助，該公司目前正在與曼徹斯特大學(xué)核石墨研究小組的科學(xué)家合作，以表征熔融鹽如何與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)石墨相互作用。

使用具有高耐熱性和耐化學(xué)性的工業(yè)級(jí)合成石墨將為FLEX反應(yīng)堆節(jié)省大量成本。

最后，MoltexFLEX演示了擬用于反應(yīng)堆容器和燃料管的合金的腐蝕控制。

熔鹽對(duì)金屬的腐蝕是工業(yè)中長(zhǎng)期存在的問題。通過將少量鋁溶解在冷卻液鹽中來防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在氧化劑侵蝕金屬之前，鋁會(huì)清除任何氧化劑。

FLEX反應(yīng)堆使用獲得專利的氟化鋁和氟化鈉的低共熔混合物作為主要冷卻劑。

類似的鹽混合物在鋁冶煉行業(yè)已經(jīng)使用了幾十年，這些物質(zhì)很難與石墨慢化劑的相互作用。

燃料鹽化學(xué)是通過鈾氧化態(tài)的組合進(jìn)行氧化還原穩(wěn)定的，在與氟化鈉稀釋劑的低共熔混合物中充當(dāng)氧化還原緩沖液。

該緩沖液能夠維持氧化還原電位，并中和反應(yīng)堆整個(gè)壽命內(nèi)產(chǎn)生的潛在腐蝕性裂變產(chǎn)物。

含有氟化物鹽的合金樣品管已在MoltexFLEX實(shí)驗(yàn)室中加熱至高達(dá)900℃的FLEX反應(yīng)堆操作溫度，并在該水平下保持?jǐn)?shù)月，最后發(fā)現(xiàn)，幾乎沒有腐蝕跡象——即使在掃描電子顯微鏡下檢查，也為微米級(jí)。

6、展望未來

MoltexFLEX正在擴(kuò)大規(guī)模，以鞏固公司在過去一年中取得的進(jìn)展，預(yù)計(jì)在未來兩年內(nèi)，其團(tuán)隊(duì)規(guī)模將成倍增加，內(nèi)外部員工達(dá)到數(shù)百名。

目前正在與私人投資者進(jìn)行富有成效的討論，為下一階段的發(fā)展提供資金。

盡管該公司相信，在未來6-7年內(nèi)，僅通過私人融資就可以實(shí)現(xiàn)首個(gè)同類FLEX反應(yīng)堆，但它正熱切期待著英國(guó)核能公司的成立，并有機(jī)會(huì)與他們合作，在能源組合中建立FLEX等先進(jìn)核技術(shù)地位。

與此同時(shí)，該公司因其突破性的技術(shù)越來越受到認(rèn)可——例如，作為英國(guó)商業(yè)和貿(mào)易部實(shí)施的“明日綠色建設(shè)者”計(jì)劃的一部分，該公司在4月份被評(píng)為冠軍。

作為這一舉措的一部分，Moltex將與其他五家公司一起前往阿聯(lián)酋會(huì)見潛在投資者。

總之，MoltexFLEX認(rèn)為，其SSR技術(shù)，尤其是FLEX反應(yīng)堆，將在未來的能源發(fā)展中做出巨大貢獻(xiàn)——不僅有助于到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放，而且有助于為發(fā)展中國(guó)家?guī)碡S富、清潔和低成本的能源，并恢復(fù)英國(guó)作為核創(chuàng)新者的領(lǐng)先地位。

正是這一愿景，推動(dòng)著MoltexFLEX團(tuán)隊(duì)每天朝著實(shí)現(xiàn)FLEX反應(yīng)堆愿景的方向努力。