熔盐堆是核能的未来正迈向“彼岸”

橡树岭国家实验室的熔盐堆实验装置俯视图

作家、图书编辑、研究员和热心的读者卡洛琳·德尔伯特(CAROLINE DELBERT)女士，上月底在《大众机械》杂志网撰文，“熔盐堆是核能的未来，但怎么到达彼岸?”[1]她说，核科学家的研究成果可能帮助工程师真正突破核能的下个发展阶段：

● 熔盐堆是尖端技术，伴随着“成长的烦恼”。

● 关于铬腐蚀的新研究有助于推进熔盐堆开发。

● 详细研究每一个部件，有助于工程师们今后做出更好的设计。

美国麻省理工学院(MIT)的研究人员，希望通过微调熔盐堆在极高温和高压下的性能表现，使之更加实用。他的工作能帮助稳定这个不稳定的核能区域吗?

美国内华达州的新月沙丘(Crescent Dunes)集中式太阳热发电场现役的熔盐装置遭遇挫折，整体效率从理想的50%降至仅20%。国家可再生能源实验室(NREL)最近的一份报告说，太阳盐罐发生泄漏，为检修需要花费大量资金，把熔盐排空并再充入。NREL强调，该技术在商业规模上是非常新的技术，需要安全开发和良好实践。[2]

NREL描述的大多数问题是结构性问题，麻省理工学院的实验物理学家鲍里斯· 卡科维奇(Boris Khaykovich)说，熔盐给压水堆提供了个更安全、更可靠、供替代的选择，因为它可以在不沸腾的情况下达到更高的温度。

新的熔盐堆核电机组设计不需要依赖基于水的先例，而且可引入下一代核技术，核燃料可熔解在熔盐介质中，意味着必须了解新的化学反应。世界核协会(WNA)解释说:“易裂变和可增殖的核燃料熔入熔盐，这一概念无疑代表了横向思维上的一个飞跃”。[3]

熔盐堆的工作原理

这正是卡科维奇研究的“切入点”。

橡树岭国家实验室(ORNL)在声明中说，“卡科维奇在橡树岭国家实验室(ORNL)的散裂中子源装置(SNS)上使用了纳米级定制材料衍射仪(NOMAD)。NOMAD的特点是高温样品环境，使用中子衍射法研究样品之前，可以将样品加热到1500华氏度以上”。NOMAD即 Nanoscale-Ordered Materials Diffractometer，卡科维奇用它分析了ORNL捐助的熔盐样品中发现的铬同位素。

卡科维奇研究了他的氯化钠样品中微量的铬，更重要的是铬一开始进入熔盐的方式：通常是熔盐与容纳熔盐的金属合金容器之间发生反应，导致腐蚀。

ORNL的声明解释说，“卡科维奇使用NOMAD，可以看到每个带正电的铬离子如何吸引六个带负电的氯离子。结果是，氯离子之间的平均距离比它们在纯氯化钠熔液中更靠近”。

ORNL解释说，像这样的实质性的实验结果，对于建立对熔盐的更广泛的理解至关重要，特别是当NREL把腐蚀和其他意想不到的工程问题列为的主要障碍之一时。通过分析铬如何吸引和排斥中子来检测铬，可以帮助工程师理解“铬是如何在熔液内与其他成分相互作用的”。

卡科维奇断言，“用这些数据生成各种模型，对于试图设计熔盐堆的工程师来说，将是一笔巨大的资产”。

熔盐的腐蚀性是熔盐堆开发的核科学家和工程师们最“头痛”的难题。加拿大陆地能源公司的IMSR设计采用运行、后备“堆芯模块”切换方案;[4]英国Moltex能源公司的稳定熔盐堆(SSR)设计的应对措施是在含燃料熔盐中加“牺牲材料”锆;[5]美国MIT在利用其核研究堆提供数据，以确定放射性物质是如何在MSR中产生和运输的，以压缩MSR的运行和维修成本。[6]再加上MIT实验物理学卡科维奇提供的预测模型，熔盐堆设计正在逐步转化为“成熟”的技术......

最近,美国阿贡国家实验室(Argonne)报道，它的核科学家正在与业界合作，为未来的先进堆开发工具。[7]因为“在设计下一代核电站时，最安全的、衡量新工具和技术的方法是，首先在数字模型上进行测试。模仿反应堆，各公司可用这种数字孳生(digital twin)，探索新颍的技术和方法，以降低成本，或在破土动工前改进设计”。它“从能源部先进能源研究项目局(ARPA-E)获得$800万”资助，其中“最大拨款($450万)用于稳定熔盐堆(SSR)”，“以便...利用它实时模拟SSR-W的运行和维修战略。他们的目标是把SSR-W设施的运营成本从大约$11/MWh削减到$2/MWh以下”。

但从最近《国际核工程》(NEI)和《世界核新闻》(WNN)的报道得知，SSR在英国“先进模块化反应堆(AMR)竞争”中失利。[8]对此，Moltex会有些思想准备。英国核学界与业界面对国内核能的紧迫形势，偏保守、追求“稳妥”是可以理解的;Moltex的近期的追逐目标在北美，英-加-美三国政府之间有合作协议;多次获得美国先进能源研究计划局(ARPA-E)的项目资助，也可理解为研发和供应链能力上存在某些“间隙”(gap)。重要的是知己知彼和自信心。最聪明的是“谦虚谨慎”，最愚蠢的是“闭目塞听”。也要有决断：示范装置不能无休止地追求“完美”，成熟度是“渐进性”的，熔盐堆已“研究”几十年了!应感谢加拿大政府、新布伦瑞克省政府和能源界的决断和支持，尽快推进项目前进。

资料与注释：

1. CAROLINE DELBERT，Molten Salt Reactors Are Nuclear's Future. How Do We Get There? Popular Mechanics，JUN 29, 2020

2. NREL，Concentrating Solar Power Best Practices Study，NREL/TP-5500-75763，June 2020

3. 详见WNA，Molten Salt Reactors (Updated December 2018)

4. 详见IMSR®: TRANSFORMATIVE CLEAN ENERGY TECHNOLOGY https://www.terrestrialenergy.com/

5. Ian R. Scott, The stable salt reactor, NEI, 29 March 2017

6. ARPA-E, GEMINA—Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets, PROJECT DESCRIPTIONS,MAY 13, 2020

7.LIZ THOMPSON，Argonne to explore how digital twins may transform nuclear energy with from $8 million ARPA-E’s GEMINA program，ANL，JULY 9, 2020

8.NEI，UK funding for advanced reactors，13 July 2020;WNN, UK government support for modular reactor deployment，13 July 2020