雙液流反應(yīng)堆：能徹底“重塑”核能系統(tǒng)

英國核能雜志《國際核工程》8月24日發(fā)表文章，介紹雙液流能源公司(Dual Fluid Energy)提出的燃料和冷卻循環(huán)分離的雙液流反應(yīng)堆(DFR)設(shè)計，說它能徹底重塑核能系統(tǒng)：堆芯緊湊，功率密度最高，經(jīng)簡化經(jīng)濟(jì)效率比現(xiàn)代輕水堆(LWR)高20倍，能燃燒乏核燃料，而且固有地安全[1]。

雙液流反應(yīng)堆工作原理

雙液流能源公司(Dual Fluid)正在開發(fā)新型核能技術(shù)，關(guān)鍵因素是高效率。它開發(fā)的雙液流反應(yīng)堆(DFR)包含兩個循環(huán)流體，一個攜帶核燃料，另一個傳輸熱能。按照傳統(tǒng)堆型定義，DFR屬鉛冷堆型，但雙液流能源公司認(rèn)為，它“完全重新定義了核能”，使核燃料的利用“比現(xiàn)代輕水堆高百倍”，液態(tài)鉛冷卻劑“1000℃的運(yùn)行溫度，可用于新的熱應(yīng)用工藝流程”，所以有些特殊。

圖1：雙液流反應(yīng)堆(DFR)工作流程示意圖

Dual Fluid是德國的一家核技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)，但于2021年在溫哥華注冊成為一家上市公司，以便更好地受益于加拿大對小型模塊式反應(yīng)堆(SMR)發(fā)展的有利安排。Dual Fluid說，“加拿大政府把SMR作為一項(xiàng)未來的技術(shù)來推廣”，“而且大多數(shù)人認(rèn)為核電是個機(jī)遇。”

此外，“加拿大與德國不同，在核技術(shù)方面經(jīng)驗(yàn)豐富，而且核專業(yè)知識從未間斷。”“最后但并非不重要的一點(diǎn)是，有個國際認(rèn)可的核監(jiān)管許可機(jī)構(gòu)。”

LWR：不“完美”的技術(shù)

Dual Fluid認(rèn)為，全世界普遍使用的輕水堆效率低下，因?yàn)橹荒馨鸭s1%的天然鈾轉(zhuǎn)化為電力。此外，核燃料在低溫下“燃耗”，不可能用于“有價值的高溫化學(xué)工藝”。

這種不那么“好”的技術(shù)在上世紀(jì)中期是如何戰(zhàn)勝已有的、更有前景設(shè)計的? Dual Fluid認(rèn)為，答案是它的軍事優(yōu)勢：使用“固體”燃料棒的反應(yīng)堆，非常適宜給潛艇提供動力，而且可以簡單的方式為核武器提供钚，因此放棄了其他更適合民用的概念。幾十年來，仍在使用同樣的輕水堆技術(shù)，因?yàn)楹巳剂系哪芰棵芏雀?，提供的能源如此之多，即使低效的核電站也?ldquo;有利可圖”。

在沒有商用開發(fā)的早期設(shè)計中，有兩種堆型脫穎而出：一種是液體核燃料;另一種是液態(tài)鉛冷卻劑。上個世紀(jì)60年代，美國成功地運(yùn)行了液體燃料的實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆(MSR，熔鹽堆)，能更好地利用核燃料。然而，由于燃料鹽也傳輸熱能，功率密度受到限制，這兩種功能難以協(xié)調(diào)。俄羅斯在上個世紀(jì)70年代，為其潛艇艦隊建造了高性能的鉛冷快堆(LFR)，使用的是固體燃料棒，燃料供應(yīng)和再循環(huán)都很困難。

雙液流概念是快堆設(shè)計，旨在以全新的設(shè)計，把熔鹽堆和鉛冷堆的優(yōu)勢結(jié)合起來。關(guān)鍵的創(chuàng)新是在堆芯使用兩種液流。液態(tài)燃料可在約1000℃下發(fā)揮它的全部威力(典型的輕水堆，出口溫度為320℃)，而液態(tài)的鉛“專侍”熱傳輸。

DFR：功率密度高

Dual Fluid說，在核技術(shù)領(lǐng)域，這個原理是全新的。決定性的優(yōu)勢是，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高，冷卻劑出口溫度高。

燃料流速緩慢，可以達(dá)到最佳燃耗率;冷卻劑高速循環(huán)，可以使傳熱速度最佳。因此，可以讓高濃度的液態(tài)燃料(錒系金屬元素混合物)在耐高溫、抗腐蝕的管束內(nèi)緩慢流動，顯著增加堆芯內(nèi)可裂變材料的數(shù)量。堆芯緊湊，所需結(jié)構(gòu)材料的數(shù)量少，就可使用昂貴、耐高溫、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料。使用液態(tài)鉛做冷卻劑，也可不降低堆芯中子速度(能量)地傳輸熱能。

功率密度高與效率高相輔相成，額定功率300MWe的小型雙液流堆芯的效率是現(xiàn)代輕水堆(LWR)的8-10倍。堆芯尺寸越大，功率密度和效率越高。

因?yàn)镈FR是快譜堆，運(yùn)行時中子通量過剩。這種堆與核燃料再循環(huán)裝置相結(jié)合，可充分利用任何可裂變的材料，包括釷、天然鈾、貧鈾和現(xiàn)代反應(yīng)堆卸出的“乏”(即“用過的”)核燃料。

圖2：DFR特色：功率密度高，成本低[2]

重新定義核能

Dual Fluid認(rèn)為，核燃料和冷卻劑“分隔”循環(huán)的原理完全重新定義了核能。與液態(tài)核燃料再循環(huán)裝置相結(jié)合，裝入堆芯的所有核燃料都能有效地使用，無需最終“處置庫”。

雙液流原理不局限于SMR，但首次實(shí)現(xiàn)這個概念，最好是個SMR，額定功率約300 MWe，即DF300(見圖3)。

圖 3：300MWe型雙液流核電裝置(DF300)

在DF300型模塊化核電廠，核燃料以密封的燃料筒形式運(yùn)達(dá)，經(jīng)加熱呈液態(tài)泵入反應(yīng)堆堆芯，換料周期長達(dá)25年;乏核燃料仍以密封的燃料筒形式運(yùn)出，“再循環(huán)”處理復(fù)用。

更大的堆芯如DF1500型核電廠(1500 MWe/ 3000 MWt，見圖4)，核燃料裝載量更大，可在核電廠內(nèi)附設(shè)個“乏燃料再循環(huán)裝置”，使電廠成為最簡單、完整的核燃料閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)。

圖4：DF1500型核電廠+現(xiàn)場乏燃料再循環(huán)結(jié)構(gòu)。核燃料不斷予以處理，所有可裂變物質(zhì)返回到堆內(nèi);殘余物只需儲存～300年。

DFR的核燃料再循環(huán)工藝，與傳統(tǒng)的、基于PUREX工藝即濕法化學(xué)后處理系統(tǒng)有本質(zhì)的區(qū)別。在液態(tài)核燃料再循環(huán)裝置內(nèi)，輕水堆的乏燃料首先轉(zhuǎn)化為液態(tài)的鹽，再用蒸餾分離各種組份。然后，所有可裂變材料與新燃料混合，返回反應(yīng)堆堆芯。這在核工業(yè)內(nèi)是早就確立的工藝流程[3]。

Dual Fluid認(rèn)為，這種基于高溫化學(xué)蒸餾再循環(huán)的方法，能充分利用任何可裂變材料，首次實(shí)現(xiàn)核燃料鏈真正的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

除發(fā)電之外，DF1500型核電廠裝機(jī)容量3000 MWt，特別適合能源密集型的熱應(yīng)用，如制氫和合成燃料?，F(xiàn)今的“綠色”制氫工藝能量損失大，強(qiáng)大的核熱源為高溫蒸汽電解(HTE)開辟了可能性，比目前的工藝更高效。Dual Fluid估計，HTE制氫的成本，可能比目前風(fēng)力發(fā)電的綠色制氫成本低很多，與甲烷蒸汽重整制氫相比，更有成本競爭力。

能源投資回報

電廠的能源投資回報率(EROI)是在整個壽期(包括建設(shè)、運(yùn)行、燃料、退役)內(nèi)獲得的能量與消耗的總能量的比值，是衡量能源系統(tǒng)先進(jìn)性的終極考核指標(biāo)。

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化石燃料發(fā)電廠的能源回報率約為30。太陽能和風(fēng)能包括儲能，還都不到10。

雖然30倍的能源回報率使工業(yè)革命成為可能，足以供應(yīng)今天的工業(yè)化國家，但退回到效率較低的技術(shù)等于倒退，能源將變得越來越稀缺和昂貴，可能導(dǎo)致生活水平下降?，F(xiàn)代、對人類和自然友好的社會，必須努力以低成本、生態(tài)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實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。”

現(xiàn)代輕水堆的能源回報率約為100，意味著它們的性能是化石燃料發(fā)電廠的三倍。聽起來不錯的東西，實(shí)際上意味著性能不佳，因?yàn)楹肆炎冡尫诺哪芰坎皇腔剂先紵^程的三倍，而是數(shù)百萬倍。

為什么今天的核能與它的潛力，差距這么大?

典型的輕水堆包含的能源消耗顯示(見圖5)，80%的能源支出用來提供和處理燃料，即鈾的開采和提煉以及燃料元件的生產(chǎn)、再循環(huán)和處置。這個數(shù)字太高，因?yàn)楝F(xiàn)代反應(yīng)堆只能將開采的鈾中微不足道的一小部分(約1%)轉(zhuǎn)化為有用的能源。其余的大部分與裂變產(chǎn)物混合，要作為核廢物“處置”。

圖5：在目前低效燃料循環(huán)下，典型輕水反應(yīng)堆壽期能耗

因此，今天的LWR發(fā)電，不是高收益或盈利大的系統(tǒng)。高昂的投資成本和監(jiān)管要求，完全抵消了它與化石燃料發(fā)電廠的“比較”能源優(yōu)勢?？偟膩碚f，核裂變的潛力大部分沒有得到利用。

新一代反應(yīng)堆(“第四代”)的效率能逐漸提高，但不會有很大的提高。因?yàn)橐Ａ?ldquo;燃料棒”概念，某些概念還建立在舊的熔鹽堆設(shè)計上。同一液流既攜帶燃料又用來傳輸熱量，致使兩種功能的結(jié)果都不理想。英國Moltex 能源公司的SSR設(shè)計是個例外，它選擇在固體燃料細(xì)棒中裝入液態(tài)燃料[4]。

雙液流反應(yīng)堆設(shè)計，Dual Fluid稱之為“第五代”核能，采用集中式液體燃料和液鉛冷卻劑，與核燃料再循環(huán)裝置相結(jié)合，能把與燃料相關(guān)的能源消耗降到最少(見圖6中藍(lán)色區(qū)域)。如前所述，由于功率密度高(如圖中綠色區(qū)域所示)，系統(tǒng)相對緊湊，也提高了效率。

總的來說，DF300型核電廠的能源消耗，可降到典型LWR的1/10，必然會降低成本。實(shí)際上，能量回報率增加，取決于反應(yīng)堆的規(guī)模，DF300為800-1000;而DF1500約為2000。圖7是雙液流型反應(yīng)堆與其他能源的投資回報率的對比。

圖6: 雙液流(DF300型模塊化核電廠)的能源需求：與LWR相比降到1/10

圖7: 相對于雙液流熔鹽堆，現(xiàn)有各種能源的能源投資回報率

雙液流反應(yīng)堆內(nèi)“分隔”兩種液流的材料，必須有足夠的導(dǎo)熱性和耐腐蝕性能，無論是鉛還是燃料鹽，都是一種熔融的液態(tài)金屬。與熱中子反應(yīng)堆條件相比，結(jié)構(gòu)性的管壁材料有多種選擇，主要因?yàn)榭於训闹凶臃@截面小。原則上合適的材料早已存在了幾十年，但含稀有、昂貴的化學(xué)元素。對于傳統(tǒng)的反應(yīng)堆技術(shù)和現(xiàn)代熔鹽概念，這可能是個問題，因?yàn)楣β拭芏鹊?，需要大量的結(jié)構(gòu)材料。但這不適用于雙液流系統(tǒng)，它可使用一系列現(xiàn)代工業(yè)材料，即使貴金屬也可以作為合金的組份，對系統(tǒng)的總成本影響不大。

這類材料的例子是難熔的金屬合金或高度耐腐蝕的陶瓷，如硅、鈦或碳化鋯。近幾十年來，這些材料越來越多地用于極端條件下的工業(yè)應(yīng)用。此外，也可在涂層中添加氧化釔等組份，能抗1500℃的純鈾。由于堆芯的溫度遠(yuǎn)低于這個溫度，核燃料不是純鈾，而是鈾鉻混合物。因此，Dual Fluid公司認(rèn)為，確定最合適的材料是一項(xiàng)“可以解決的開發(fā)任務(wù)”。

安全特征

雙液流設(shè)計最重要的安全特性是反應(yīng)堆瞬間自動調(diào)節(jié)，這是通過非常“負(fù)”的反應(yīng)性溫度系數(shù)實(shí)現(xiàn)的。如溫度升高，核燃料膨脹。結(jié)果，反應(yīng)性立即下降，溫度隨之下降。這種反應(yīng)堆是完全自調(diào)的，不可能發(fā)生切爾諾貝利那樣的堆功率“暴漲”。

系統(tǒng)升溫超過正常運(yùn)行溫度限值，“只可能由燃料組份不正確”引起，“冷凍塞”熔化，提供附加的安全保護(hù)。

冷凍塞(見圖8)是燃料循環(huán)管路最低點(diǎn)附近“能動”冷卻的管段。它靠外部“能動”冷卻，局部凍結(jié)“隔離”下游出口。如燃料過熱，燃料冷凍塞“融化”，液態(tài)燃料靠重力泄入次臨界配置的燃料罐。鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)立即停止，衰變熱完全非能動排出，不會發(fā)生日本福島那類的事故。這個簡單的控制系統(tǒng)概念極為可靠，早在上個世紀(jì)60年代在美國熔鹽堆實(shí)驗(yàn)裝置(MSRE)上已證實(shí)了它的價值。

圖8：熔鹽冷凍塞示意圖

為有效地抵御猛烈的沖擊和地震，核電站的核心部件置于地下厚壁的“堆坑”內(nèi)。即使在可能發(fā)生最嚴(yán)重事故時，出現(xiàn)與核燃料環(huán)路相關(guān)的泄漏，也不會有放射性物質(zhì)泄漏，進(jìn)入外環(huán)境。因?yàn)闆]有顯著的驅(qū)動壓力，也不會發(fā)生爆炸。

連續(xù)生產(chǎn)路線圖

經(jīng)過十多年的基礎(chǔ)研發(fā)之后(主要在柏林固體核物理研究所進(jìn)行)，目前雙液流技術(shù)還處于“技術(shù)準(zhǔn)備”階段，即TRL3。商業(yè)部署的下一步是“組件測試”，見圖9。

圖9：系列產(chǎn)品可能的大事年表(* 技術(shù)準(zhǔn)備水平;** 預(yù)測)

作為獲得“許可”的基礎(chǔ)，Dual Fluid公司的學(xué)術(shù)合作伙伴，正在對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析;“種子輪”融資已在2021年6月順利完成[5]。

如果一切按計劃進(jìn)行，希望十年內(nèi)建成原型裝置，隨后很快開始批量生產(chǎn)。

見解與思考

人類社會的進(jìn)步離不開能源。但以化石燃料為主的現(xiàn)代能源促成全球氣候暖化和環(huán)境危機(jī)，“俄烏沖突”又凸顯了能源獨(dú)立的重要性。世界能源問題的最終解決離不開核能，形勢的演變強(qiáng)調(diào)發(fā)展核能的緊迫性。

世界對核能的認(rèn)識，也在發(fā)生急劇的變化。現(xiàn)代輕水堆技術(shù)為主的潮流正轉(zhuǎn)向更安全、可靠的小型模塊式反應(yīng)堆(SMR)和非水冷的先進(jìn)堆。“第四代”核能系統(tǒng)中六個主流堆型，顯得有點(diǎn)“過時”，還在研發(fā)、建造鈉冷堆(SFR)和鉛冷堆(LFR)的寥寥無幾，但熔鹽技術(shù)和熔鹽堆卻如雨后春筍。

在熔鹽技術(shù)和熔鹽堆研發(fā)中，加拿大的IMSR在謹(jǐn)慎地“繼承”上個世紀(jì)60-70年代美國熔鹽堆實(shí)驗(yàn)裝置(MSRE)的技術(shù)成果;美國和中國的MCFR 、FHR和TMSR已在探索、發(fā)展熔鹽堆新技術(shù);英國Moltex能源公司的SSR用成熟的LWR工程技術(shù)，消除了熔鹽堆令工程師“恐懼”的工程技術(shù)問題;德國的雙液流反應(yīng)堆(DFR)則用液鉛冷卻劑，把熔鹽堆技術(shù)推到了其他堆型難于企及的“高度”。

圖10：IMSR，F(xiàn)HR，TMSR，MCFR，SSR，DFR圖略

DFR概念的先進(jìn)性是其他非水冷先進(jìn)堆難以企及的。但推進(jìn)任何先進(jìn)堆概念，急需通過工程技術(shù)實(shí)踐加以證實(shí)。先要有個熔鹽堆和鉛冷堆實(shí)驗(yàn)裝置“運(yùn)轉(zhuǎn)”起來，證明各自的實(shí)踐性，加拿大、美國和俄羅斯正在這么做(如SSR-W，MCRE和Brest-OD-300)[6]，聯(lián)合的最優(yōu)化達(dá)到“極致”是水到渠成的事。

要使學(xué)界、工程界和核能企業(yè)普遍接受液態(tài)核燃料和液態(tài)鉛冷卻劑，像固體核燃料和輕水冷卻劑那樣，就要發(fā)揮學(xué)者、工程師和核能運(yùn)行-維修人員三方的聰明和智慧，實(shí)行“三結(jié)合”，以盡快地讓熔鹽燃料和鉛冷技術(shù)“流行”起來。

好在從上個世紀(jì)60-70年代開始，特別是近些年以來，核工程技術(shù)的巨大進(jìn)步，讓工程師們“恐懼”的難題有“解”了;耐高溫、抗腐蝕的材料“過關(guān)”了，嚴(yán)苛環(huán)境條件下運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)督和控制工具開發(fā)出來了，數(shù)字技術(shù)和異常問題處理的人工智能和機(jī)械人技術(shù)正在成熟，各種現(xiàn)場環(huán)境條件下的運(yùn)行和維護(hù)難題，可以及時得到解決，過渡到“極致”需要的時間，也許不會太久……

資料與注釋

[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]杜銘海，SSR-W型熔鹽堆燃料開發(fā)的“里程碑”意義，《中國能源網(wǎng)》電力-核電，2020-05-29

[5] “種子輪”融資，也稱“種子融資”，是最早階段進(jìn)行的融資方式。雖然大多數(shù)初創(chuàng)企業(yè)都依靠創(chuàng)始人自己的或其直系親屬和朋友的資金，某些企業(yè)也會尋求第三方的“種子融資”，這是一種最早期階段進(jìn)行的融資方式。

[6] SSR-W：英國Moltex能源公司設(shè)計，已與加拿大安大略電力公司的核可持續(xù)性發(fā)展中心、新不倫瑞克電力公司達(dá)成合作協(xié)議，廠址選在該省唯一的坎杜堆核電站萊普瑞奧角(Point Lepreau)廠址上。目前已通過加拿大核安全委員會(CNSC)的“頒證前供應(yīng)商設(shè)計審查”(VDR)三個階段的第一階段，目前處于第二階段，供應(yīng)商堅持20年代末建成發(fā)電;MCRE：即MCFR的原型堆實(shí)驗(yàn)裝置，0.5 MWt,泰拉能源與南方公司出資，建在INL科技園區(qū)現(xiàn)場，僅無常規(guī)島部分，2025年底建成達(dá)臨界;Brest-OD-300：示范鉛冷快堆核電站，俄羅斯國家核能公司Rosatom 出資，建在俄羅斯謝維爾斯克市附近(靠近托木斯克)已開工，計劃2026年建成發(fā)電。