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重新思考熔盐反应堆

为什么熔融盐反应堆可以带来清洁能源的革命。在过去的几十年中,世界迎来了了最大程度的全球贫困人口减少。自2010年以来,每年有超过1亿人接入电网。这一增长主要是通过增加对燃烧化石燃料的依赖来实现的。各个国家/地区的各种生活质量指标表明,要达到体面的生活水平,每人平均总能源消耗率约为5kW。

考虑到预期的人口增长,将全球人口从贫困提升到现代舒适水平,可能需要全球能源消耗是博亚体育app官网入口当前消耗量的三到五倍。与此同时,博亚体育app官网入口必须大幅减少温室气体的产生,以避免灾难性的气候变化影响。由于能源消费的增长发生在发展中国家,而这些国家无力支付过高的能源价格,因此能源生产的快速增长必须从根本上比化石燃料便宜。

今天,博亚体育app官网入口已经遇到了了可持续发展的困境。为了在全球范围内维持现代文明,博亚体育app官网入口需要一种无排放、可扩展、可靠且比煤炭更便宜的能源。在核时代的早期,轻水反应堆(LWR)被认为是不可扩展的,因为铀的稀缺,轻水反应堆构成了目前核舰队的大部分。尽管从那以后,博亚体育app官网入口意识到铀资源更加丰富,但博亚体育app官网入口没有过渡到各种先进(和更高效)的反应堆概念,而是坚持使用当前的技术。

或许现在是重新思考核能的时候了。熔盐反应堆为工业裂变动力提供了一种新的途径。核燃料溶解在高温碱金属卤化物熔体中,如氟化锂或氯化钠,并在裂变堆芯和主热交换器之间的主回路中循环。

与现有的LWR技术相比,这有几个基本优势。

首先,该系统提供超过600℃的高温热量,大约是LWR出口温度的两倍。

第二,熔融盐在高达约1400℃的大气压下保持液态,因此系统可以在低压下运行。

第三,碱金属与卤素的配对导致了强结合的化合物,没有化学能用于快速反应。

第四,熔盐是离子键合的液体,不像共价键合的固体燃料那样会受到辐射损伤,所以燃料不会随时间而降解。

第五,熔盐是一种化学介质,适合于有价值元素的分离和提取,特别是医用和工业用的同位素。

第六,液体燃料在循环过程中不断混合和均质化,消除了潜在的热点。

第七,熔盐溶解铀、钍和钚,提供燃料灵活性。最后但并非最不重要的是,液态燃料在电站停电时更容易冷却,消除了熔毁的可能性。

简而言之,MSR提供了一种高温低压系统,可以在运行时进行换料,不受燃料寿命的限制,具有相对便宜的薄壁结构部件,没有扩散放射性核素的化学或压力驱动因素,完全被动安全的潜力,以及从有价值的医用同位素中获得额外收入的可能性。此外,它可以消耗来自当前乏核燃料或武器级钚库存的有问题的锕系元素。

    技术

熔融盐反应堆的基础技术是在20世纪50-70年代在橡树岭国家实验室(ORNL)开发的,当时在阿尔文·温伯格博士的领导下建造并运行了三座熔融盐反应堆。他将MSR承诺创造为“锅、管和泵”中的“燃烧的石头”。最著名的系统是熔盐反应堆实验(MSRE),这是一个石墨慢化氟化物盐燃料反应堆,运行于1965-69年,作为一个小型8MW技术开发平台。

在那次行动结束时,ORNL的研究人员对这项技术的优点充满信心,开发了几个商业规模演示器的概念设计,并预计将在20世纪70年代进行建设。由于政府资助重点的改变,ORNL·MSR计划反而夭折了。2001年,MSR被第四代国际论坛认可为具有改进的安全性、成本和效率的下一代反应堆概念之一。从那以后,国际上对MSR技术的兴趣显著复苏,主要是在北美、欧洲、俄国和中国。中国的项目是最雄心勃勃的。它于2011年2月在上海核与应用物理研究所正式启动,成功复制了过去ORNL的大部分技术。

    多样性

在美国和加拿大,2010年后成立了几家私营公司,许多公司的目标是在本世纪末发展MSR。这些开发商所追求的MSR理念有很大的多样性。弗利比能源公司正在开发一种以钍为燃料的双流体增殖器,即液体氟化钍反应堆(LFTR),这是ORNL计划的最初目标。

索康电力的目标是建立一个与MSRE最相似的系统,但造船厂正在建设中,并把印尼作为其第一个市场。全球能源公司正在开发集成熔盐反应堆(IMSR),它将反应堆和热充电器集成到一个密封的可更换容器中。

在比尔·盖茨的支持下,Terrapower正在研究一种不用减速剂的氯化物盐燃料反应堆,即熔融氯化物快堆(MCFR)。凯罗斯电力公司使用氟化物盐来冷却鹅卵石形式的固体燃料,这是首次为高温气冷堆发明的。

核能是人类活动中最受管制的领域之一,这是有充分理由的。这些法规是根据现有技术量身定制的。制定新法规需要专题专家。直到最近,熔盐技术在核工程领域既没有被教授,也没有被熟知。用来模拟核反应堆物理的工具没有考虑流动燃料。

博亚体育app官网入口需要更好地理解化学和热熔盐的热物理性质,这些热熔盐含有溶解的锕系元素和裂变产物。需要证明熔盐与结构材料的兼容性,并且需要为液体燃料开发裂变材料衡算和控制方法,以满足国际和国内保障措施。阀门、法兰、泵、废气系统、各种传感器和检测器都需要设计和演示。大学、国家实验室和MSR开发商正在开发必要的专业知识、工具和劳动力,这些由私人和美国能源部资助。也就是说,在20世纪50年代和60年代,博亚体育app官网入口已经建立并运行了MSR系统。真正的挑战是在经济上与化石燃料竞争。许多人认为这是最好的现实选择。

维持博亚体育app官网入口的技术文明可能需要一种新的能源,这种能源要比现有的能源好得多。MSR提供了一种新的裂变方法,一种从本质上安全的低压系统传递的高温热量,消耗乏核燃料和钚库存中不需要的锕系元素的可能性,以及生产所需的医用同位素。被动安全、高温产热和完善核废料是重要因素,这将有助于经济可行性和公众接受度。



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