FLEX型稳定熔盐热谱堆概述

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图1:艺术家印象中32个FLEX型安稳熔盐热谱堆模块阵列(512 MWe)+GridReserve©+汽轮发电机厂房，

整个现场“可调度”装机总量1.536 GWe。

1.核心技能

FLEX型安稳熔盐堆(SSR)是Moltex动力公司全球专利安稳熔盐堆技能的热谱(慢化)版，与其姊妹公司Moltex Energy Canada同享这种技能。后者正在开发快谱版的安稳熔盐堆。

SSR与世界各地正在开发的全部其他熔盐堆(MSR)有本质区别。由于它们与传统反响堆的燃料组件类似，把强放射性的燃料盐限制在燃料细棒内。独立的、非放射性的熔盐冷却剂把热能从反响堆堆芯传输给主热交换器。

在其他MSR内，核燃料盐也是冷却剂。复杂的燃料盐循环体系，包括泵、过滤器、调理设备和热交换器，与强放射性的核燃料盐触摸，对这些部件提出了严峻的要求，使监控和维护非常有应战性。图2说明MSR类型之间的关键区别。

图2:传统熔盐堆与安稳熔盐堆的差异

2.规划理念

简略

FLEX型SSR在规划时着重简略性。它是小型和模块化的，允许大多数部件在专业制造厂生产，便于运输，减少现场的作业，缩短工期。全部这些都最大极限地降低了总本钱。FLEX型SSR在任何或许的情况下，运用已经在核工业中得到验证的、老练的材料和技能，消除许多研讨项目的需求，使安全和规划验证更快、更简单。MoltexFLEX公司的方针是，让清洁动力比化石燃料更廉价，迅速把FLEX反响堆推向市场，尽早在全球部署这种“堆群”。

低本钱

传统核电机组的制作和运营本钱已变得越来越贵重，首要由于需求安全办理体系和程序的风险。相比之下，FLEX反响堆是“固有安全”的。选用低压体系，大大降低了安全密封的本钱。它的运转安全是由“固有”(Inherently)和“非能动”(Passive)[3]安全体系供应的，大大降低了基建和运转本钱。FLEX反响堆的规模仅仅传统核电站的一小部分，其规划本钱与焚烧化石燃料适当。此外，FLEX反响堆的出口温度高，有潜力进步动力转化效率。

辅佐可再生动力

FLEX反响堆的特征是对需求改变呼应速度快，支撑间歇性可再生动力的能力强。FLEX反响堆的规划目的便是供应可调度电力，解决可再生动力供应间歇性难题。由于技能和经济原因，传统的二/三代核电机组不适宜供应这种灵活性，由此发生的供应缺口通常由燃气发电机组填补。

FLEX反响堆输出温度高，可用GridReserve©[4]体系，运用熔盐(已用于太阳能行业)储热几小时或几天，进步本钱效益。外部需求超越供应时，可当即开释贮存的热能。

许多可再生动力长期发电期间，FLEX反响堆只需非能动地处于“空载”模式，发生的热能恰好使反响堆坚持运转温度。这种反响堆规划，基建本钱低，使之经济可行。

固有安全

FLEX公司的安全理念是，凭仗这种技能的根本特性，要点在于减少或消除多重的严峻损害，并与各种非能动安全措施一起管控剩下的风险。在正常运转期间，FLEX反响堆不需求任何“能动”措施坚持核安全。与其他反响堆技能比较，这种办法有很大的安全优势，由于后者高度依靠能动的安全体系处于正常后备、维护并坚持运转状况。

FLEX反响堆概念规划排除了许多损害，消除了各种风险，无需增加工程解决方案，予以控制或缓解。因而FLEX反响堆靠规划保证根本安全。

多用途的热能

FLEX反响堆出口熔盐冷却剂温度高达750°C，可直接用于联网和离网发电，也可有以下其他运用，包括：

•工业进程或区域供暖的直接输入热源(欧洲工业运用的全部热能温度，2/3低于700°C)。

•高温电解热源，合理高效的清洁制氢气;也支撑更有用的热化学制氢，而且氢本身就可用作：

o工业上天然气的直接替代品

o重型卡车的燃料电池

o合成燃料的质料，包括航运中燃油替代品的氨

•海水淡化设备的动力。

此外，还可把FLEX反响堆用于海航业，首要是船只推动。

3.FLEX型反响堆的现场装备

典型的现场可包括任何数量模块化的FLEX反响堆装备。每个堆热功率为40 MW，适当于16 MWe。例如，16个机组的阵列可与GridReserve©储热设备耦合，在每天网络(电/热网)最艰难的8小时期间供应768 MWe的热能。

FLEX反响堆的热输出，经过管道体系内的熔盐传输给核岛外侧的GridReserve©储罐。贮存的熔盐可用来发生超热蒸汽，驱动传统的汽轮机发电。这是或许的装备，由于与传统的反响堆规划比较，FLEX反响堆的安全性与储热和发电机组供应的“热阱”是彻底别离的。衰变散热体系是彻底“非能动”的，运用“天然对流”，无需“机动”部件。此外，由于不需求与安全相关的干涉和维护，典型FLEX型反响堆厂址的接入点数量比传统核电站更少，减少了核安全保证的风险。

4.反响堆

FLEX型反响堆在概念、结构和运转方面，与传统的熔盐堆规划有许多不同。两者的燃料和主冷却剂都是熔盐，经过细心挑选熔盐的化学成分，控制腐蚀，避免氧化和浸析。但FLEX反响堆的燃料盐装细钢管内，每根细钢管插入独自的石墨基质慢化剂孔道中，构成反响堆堆芯。堆芯坐落在充溢主冷却剂熔盐的反响堆箱型容器内。反响堆箱型容器置于地下混凝土井内，上有混凝土防护块覆盖。

初装入堆的核燃料运转16-25年，或许还有两次换料，使反响堆总寿数长达75年。正常运转期间，核燃料发生的热能，经过充溢反响堆箱型容器的主冷却剂熔盐天然对流循环，从堆芯传输出去。剩下的衰变热，经过反响堆箱体周围的空气天然循环，接连排出。这些非能动的热传输机制，保证不需求能动体系或泵，就能排出热能或停关闭反响堆。

图3：FLEX反响堆剖视图

5.核燃料

反响堆堆芯由石墨砌体中的核燃料细棒阵列组成，而石墨块占有箱体容器的大部分。每根燃料细棒插在独自的石墨砌块孔道中，熔盐主冷却剂就在燃料细棒与石墨孔道间流过。

燃料盐

FLEX反响堆的核燃料是液态低浓缩铀(浓缩度6%)氟化物盐，装在专利的、带排气的燃料细管内。熔盐燃料经过天然对流在燃料管内循环，有利于热量经过管壁传递给细管外围的熔盐冷却剂。燃料盐的化学性能是经过铀氧化态组合安稳氧化复原的，在与氟化钠稀释剂共晶混合物中充当氧化复原缓冲剂，能坚持氧化复原电位，中和整个反响堆寿期内发生的潜在腐蚀性的裂变产品。

核燃料盐不与周边的石墨触摸，也不需求强制从反响堆堆芯进入热交换器。

燃料盐一直与冷却剂盐坚持别离。冷却剂盐是另一种氟化物盐，用来传输反响堆发生的热能。但是，它们有或许互熔，并从根本上改动堆芯损害的效应。在传统反响堆内，堆芯损坏导致反响堆进入非常风险的状况。但在FLEX反响堆内，即便严峻的堆芯损坏，仍然会使反响堆转入安全状况。例如，核燃料细管的缺陷会引起管壁破裂，由于燃料盐将稀释在大体积的冷却剂熔盐内，导致堆芯反响性降低。因而，堆芯损坏不会增加核电站作业人员或周边大众受到照耀的或许性。

图4：堆芯石墨砌体与和燃料细棒

裂变气体排出

在FLEX反响堆内，大部分裂变产品当即被捕获，成为不蒸发的盐，并保留在燃料细管内的燃料盐内。蒸发性的裂变气体没有当即被燃料盐捕获，会经过一系列气泡捕集器，寿数较短的放射性同位素会在捕集器内衰变，它们的衰变产品会困在燃料盐内。最风险的放射性裂变气体(氙-137衰变为有害的铯-137)，简直彻底包括在气泡捕集器内。

气泡器内呈现的首要放射性气体是氪-85。在反响堆换料周期内，这些气体会积累在反响堆气体空间。由于它的半衰期为10年，停役时许多仍会存在。由于是惰性气体，没有生物积累，一般的做法是把氪-85稀释到微不足道的浓度，排入大气。

但是，MoltexFLEX公司更倾向于捕获并贮存这种气体，直到简直彻底衰变，大概需求50年。

图5：核燃料细棒组件

6.非能动控制体系

换料后，堆内后备反响性过大，要当即凭借另外的中子吸收剂“中和”。这种吸收剂可熔于熔盐冷却剂，并经过定时注入体系增加到主冷却剂内。这种中子吸收剂焚烧得很慢，要每隔几周或几个月补充一次。

为呼应电力需求的改变，凭借类似于普通水银温度计、内充液态中子吸收剂的新颖专利机制，供应反响性改变的精密控制。冷却剂温度上升，这种机制会非能动地降低堆芯反响性，使反响堆能在不需求运转人员任何干涉的情况下，安全地呼应反响堆传输给热交换器热量的改变。

7.余热排出体系

核燃料细管便于燃料盐与外围冷却剂盐之间热传递，冷却剂盐作业温度高达770°C。加热时，经过石墨砌体通道，天然对流上升到反响堆顶部。热的主冷却剂进入热交换器，冷却后返回堆芯底部，彻底靠非能动地“天然对流”。

FLEX反响堆的高温输出，可与GridReserve©相结合。GridReserve©便是个储热体系，把反响堆输出的热能贮存在大型熔盐罐内。这些盐以后可用来发生蒸汽，从而经过传统的发电设备，按照正常工业安全规范发电。每天电力需求高时，GridReserve©可使发电设备输出反响堆额定功率几倍的电力。

这个体系的众多长处之一是，贮存熔盐的流动无需反响堆操纵员控制。由于反响堆非能动地调理出力，发电设备的运转人员不必担心改动或中止发电设备，对核反响堆运转有什么影响。

冷却剂盐

传统核反响堆运用的冷却剂存在严峻的安全隐患。例如，因部件故障压力下降，水可“闪蒸”成蒸汽。用钠作冷却剂的规划曾引起火灾。任何高压气冷堆必须有安全体系，以管控压力鸿沟呈现破口，从而导致堆芯失冷的结果。因而，从现有反响堆学到的首要经验是，运用化学和物理上安稳的常压冷却剂，如熔盐。

FLEX反响堆运用专利的铝氟化物和钠氟化物共晶混合物作为主冷却剂。类似的盐混合物已在铝冶炼行业用了几十年，坚信它与石墨慢化剂没有相互作用。

熔盐对金属的腐蚀是业界长期存在的难题。在冷却剂盐内熔入少数的铝，铲除任何或许泄入堆内的氧气，可防腐蚀。

剩下发热

非能动排出余热体系(RHRS)接连运转，排出的热量占反响堆额定功率的0.5%。为完成体系彻底“非能动”，值得接受这点丢失。它运用空气天然对流，冷却反响堆箱体外层的底部、两侧和顶部。部分温度限制在300~400°C。反响堆箱体外侧与堆坑壁之间的空间，分为内部和外部风管，作为冷空气发生的进、出口。然后，空气排入反响堆厂房(见图6)。

图6：余热排出体系

假如反响堆额定功率运转时彻底中止“散热”，最初的高衰变热会使反响堆升温，比正常运转温度高约50°C。尔后，经过RHRS接连排出0.5%的额定热能，直到温度足够低，相对运转温度下降的反响性温度，足以重返临界状况。之后反响堆安稳在满功率的0.5%，直到电厂运营者需求更多的热量停止。

见地与思考

安稳熔盐堆(SSR)是英国化学家、Moltex动力公司董事会主席伊恩·斯科特(Ian Scott)的创造，方针是“让清洁动力比化石燃料更廉价”。SSR有熔盐堆的全部优势，是典型的先进堆;但把熔盐燃料的发热与冷却功用“别离”，仅用来替代水冷堆燃料组件的固态燃料芯块，避开了熔盐堆最棘手的应战，看起来就像传统水冷堆(PWR、BWR)那么熟悉……

FLEX型安稳熔盐堆是Moltex动力公司安稳熔盐热谱堆(SSR-U)规划[5]的简化和改善。它简化到极致，只剩下“核岛”部分，仅靠固有、非能动规划体系“天然循环”运转。凡有或许发生放射性反常的体系，均无“运动”部件;与核控制区外的储热与惯例发电部分“耦合”，致使整个现场成为比规划核容量高数倍、可调度的“储能”设备。

FLEX型SSR有几个专利规划，还没有给出详细的规划参数。但几个参数令人印象深刻：

—初装核燃料为低浓铀(6%)氟化物盐，简直与传统轻水堆的核燃料浓缩度相同;

—换料周期20-25年，电厂寿数75年;

—石墨慢化剂;

—可供应750℃的热能;

—募集私有资金制作，不靠国家赞助

……

在国际上，水冷PWR/BWR小型模块式反响堆(SMR)，NRC已给NuScale和BWRX-300型规划颁布答应，第四代核能和先进SMR开发已会集在高温冶金后处理工艺和熔盐堆，再花费时刻和资源开发其他类型的先进堆，价值不高。研讨、开发SSR型热谱和快谱堆是开展先进SMR的捷径，值得组织核能界深入探讨、研讨。

资料与注释

[1]MoltexFLEX,New UK nuclear reactor offers lifeline amid energy crisis,September 29,2022.

[2]MoltexFLEX,The FLEX reactor:A technical description,September 2022.

[3]固有安全，inherently safe：依托物质/物体固有赋性等天然规律保证安全，如水往低处流，冷热空气对流……

非能动安全，passive safety：毋需依靠外部输入而执行功用的;其功用的执行是在感受到某种参数，如压力、温度、流量的改变后完成的;基于不可逆动作或改变又非常可靠的，也属此类。

[4]GridReserve©，Moltexn动力公司规划的电(热)网储能设备，特指熔盐(太阳盐)储热罐及隶属的管网设备(泵、阀等)。

[5]IAEA,Advances in Small Modular Reactor Technology Developments:A Supplement to:IAEA Advanced Reactors Information System(ARIS)p.221-224,Stable Salt Reactor–Thermal Spectrum(Moltex Energy,UK),2018 Edition.