FLEX型稳定熔盐热谱堆概述

英国Moltex能源公司2022年9月底宣布设立全资子公司MoltexFLEX有限公司，总部位于英国沃灵顿。它专职开发FLEX型稳定熔盐热谱堆——一种先进的核反应堆，可以提供清洁、低成本和可靠的能源，作为风能和太阳能等可再生能源的补充。MoltexFLEX计划在2029年前使其首堆投入运行[1,2]。

图1:艺术家印象中32个FLEX型稳定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. 核心技术

FLEX型稳定熔盐堆(SSR)是Moltex能源公司全球专利稳定熔盐堆技术的热谱(慢化)版，与其姊妹公司Moltex Energy Canada共享这种技术。后者正在开发快谱版的稳定熔盐堆。

SSR与世界各地正在开发的所有其他熔盐堆(MSR)有本质区别。因为它们与传统反应堆的燃料组件类似，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应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。复杂的燃料盐循环系统，包括泵、过滤器、调节装置和热交换器，与强放射性的核燃料盐接触，对这些部件提出了严峻的要求，使监控和维护非常有挑战性。图2说明MSR类型之间的关键区别。

图2: 传统熔盐堆与稳定熔盐堆的差异

2. 设计理念

简单

FLEX型SSR在设计时着重简单性。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，减少现场的工作，缩短工期。所有这些都最大限度地降低了总成本。FLEX型SSR在任何可能的情况下，使用已经在核工业中得到验证的、成熟的材料和技术，消除大量研究项目的需要，使安全和设计验证更快、更容易。MoltexFLEX公司的目标是，让清洁能源比化石燃料更便宜，迅速把FLEX反应堆推向市场，尽早在全球部署这种“堆群”。

低成本

传统核电机组的建造和运营成本已变得越来越昂贵，主要因为需要安全管理系统和程序的风险。相比之下，FLEX反应堆是“固有安全”的。采用低压系统，大大降低了安全密封的成本。它的运行安全是由“固有”(Inherently)和“非能动”(Passive)[3]安全系统提供的，大大降低了基建和运行成本。FLEX反应堆的规模只是传统核电站的一小部分，其设计成本与燃烧化石燃料相当。此外，FLEX反应堆的出口温度高，有潜力提高能源转换效率。

辅佐可再生能源

FLEX反应堆的特征是对需求变化响应速度快，支持间歇性可再生能源的能力强。FLEX反应堆的设计目的就是提供可调度电力，解决可再生能源供应间歇性难题。由于技术和经济原因，传统的二/三代核电机组不适宜提供这种灵活性，由此产生的供应缺口通常由燃气发电机组填补。

FLEX反应堆输出温度高，可用GridReserve©[4]系统，使用熔盐(已用于太阳能行业)储热几小时或几天，提高成本效益。外部需求超过供给时，可立即释放储存的热能。

大量可再生能源长时间发电期间，FLEX反应堆只需非能动地处于“空载”模式，产生的热能恰好使反应堆保持运行温度。这种反应堆设计，基建成本低，使之经济可行。

固有安全

FLEX公司的安全理念是，凭借这种技术的基本特性，重点在于减少或消除多重的重大危害，并与各种非能动安全措施共同管控剩余的风险。在正常运行期间，FLEX反应堆不需要任何“能动”措施维持核安全。与其他反应堆技术比较，这种方法有很大的安全优势，因为后者高度依赖能动的安全系统处于正常后备、维护并保持运行状态。

FLEX反应堆概念设计排除了许多危害，消除了各种风险，无需添加工程解决方案，予以控制或缓解。因此FLEX反应堆靠设计保证基本安全。

多用途的热能

FLEX反应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，也可有以下其他应用，包括：

• 工业过程或区域供暖的直接输入热源(欧洲工业使用的所有热能温度， 2/3低于700°C)。

• 高温电解热源，合理高效的清洁制氢气;也支持更有效的热化学制氢，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 合成燃料的原料，包括航运中燃油替代品的氨

• 海水淡化装置的能源。

此外，还可把FLEX反应堆用于海航业，主要是船舶推进。

3. FLEX型反应堆的现场配置

典型的现场可包含任何数量模块化的FLEX反应堆配置。每个堆热功率为40 MW，相当于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小时期间提供768 MWe的热能。

FLEX反应堆的热输出，通过管道系统内的熔盐传输给核岛外侧的GridReserve©储罐。储存的熔盐可用来产生超热蒸汽，驱动传统的汽轮机发电。这是可能的配置，因为与传统的反应堆设计比较，FLEX反应堆的安全性与储热和发电机组提供的“热阱”是完全分离的。衰变散热系统是完全“非能动”的，利用“自然对流”，无需“机动”部件。此外，由于不需要与安全相关的干预和维护，典型FLEX型反应堆厂址的接入点数量比传统核电站更少，减少了核安全保障的风险。

4. 反应堆

FLEX型反应堆在概念、结构和运行方面，与传统的熔盐堆设计有很多不同。两者的燃料和主冷却剂都是熔盐，通过仔细选择熔盐的化学成分，控制腐蚀，防止氧化和浸析。但FLEX反应堆的燃料盐装细钢管内，每根细钢管插入单独的石墨基质慢化剂孔道中，构成反应堆堆芯。堆芯坐落在充满主冷却剂熔盐的反应堆箱型容器内。反应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行16-25年，可能还有两次换料，使反应堆总寿命长达75年。正常运行期间，核燃料产生的热能，通过充满反应堆箱型容器的主冷却剂熔盐自然对流循环，从堆芯传输出去。剩余的衰变热，通过反应堆箱体周围的空气自然循环，连续排出。这些非能动的热传输机制，确保不需要能动系统或泵，就能排出热能或停关闭反应堆。

图3：FLEX反应堆剖视图

5. 核燃料

反应堆堆芯由石墨砌体中的核燃料细棒阵列组成，而石墨块占据箱体容器的大部分。每根燃料细棒插在单独的石墨砌块孔道中，熔盐主冷却剂就在燃料细棒与石墨孔道间流过。

燃料盐

FLEX反应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。熔盐燃料通过自然对流在燃料管内循环，有利于热量通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通过铀氧化态组合稳定氧化还原的，在与氟化钠稀释剂共晶混合物中充当氧化还原缓冲剂，能维持氧化还原电位，中和整个反应堆寿期内产生的潜在腐蚀性的裂变产物。

核燃料盐不与周边的石墨接触，也不需要强制从反应堆堆芯进入热交换器。

燃料盐一直与冷却剂盐保持分离。冷却剂盐是另一种氟化物盐，用来传输反应堆产生的热能。然而，它们有可能互熔，并从根本上改变堆芯损伤的效应。在传统反应堆内，堆芯损坏导致反应堆进入非常危险的状态。但在FLEX反应堆内，即使严重的堆芯损坏，仍然会使反应堆转入安全状态。例如，核燃料细管的缺陷会引起管壁破裂，因为燃料盐将稀释在大体积的冷却剂熔盐内，导致堆芯反应性降低。因此，堆芯损坏不会增加核电站工作人员或周边公众受到照射的可能性。

图4：堆芯石墨砌体与核燃料细棒

裂变气体排出

在FLEX反应堆内，大部分裂变产物立即被捕获，成为不挥发的盐，并保留在燃料细管内的燃料盐内。挥发性的裂变气体没有立即被燃料盐捕获，会通过一系列气泡捕集器，寿命较短的放射性同位素会在捕集器内衰变，它们的衰变产物会困在燃料盐内。最危险的放射性裂变气体(氙-137衰变为有害的铯-137)，几乎完全包含在气泡捕集器内。

气泡器内出现的主要放射性气体是氪-85。在反应堆换料周期内，这些气体会积累在反应堆气体空间。由于它的半衰期为10年，停役时很多仍会存在。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。

然而，MoltexFLEX公司更倾向于捕获并储存这种气体，直到几乎完全衰变，大概需要50年。

图5：核燃料细棒组件

6. 非能动控制系统

换料后，堆内后备反应性过大，要立即借助另外的中子吸收剂“中和”。这种吸收剂可熔于熔盐冷却剂，并通过定期注入系统添加到主冷却剂内。这种中子吸收剂燃烧得很慢，要每隔几周或几个月补充一次。

为响应电力需求的变化，借助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，提供反应性变化的精细控制。冷却剂温度上升，这种机制会非能动地降低堆芯反应性，使反应堆能在不需要运行人员任何干预的情况下，安全地响应反应堆传输给热交换器热量的变化。

7. 余热排出系统

核燃料细管便于燃料盐与外围冷却剂盐之间热传递，冷却剂盐工作温度高达770°C。加热时，通过石墨砌体通道，自然对流上升到反应堆顶部。热的主冷却剂进入热交换器，冷却后返回堆芯底部，完全靠非能动地“自然对流”。

FLEX反应堆的高温输出，可与GridReserve©相结合。GridReserve©就是个储热系统，把反应堆输出的热能储存在大型熔盐罐内。这些盐以后可用来产生蒸汽，进而通过传统的发电装置，按照正常工业安全标准发电。每天电力需求高时，GridReserve©可使发电装置输出反应堆额定功率几倍的电力。

这个系统的众多优点之一是，储存熔盐的流动无需反应堆操纵员控制。因为反应堆非能动地调节出力，发电装置的运行人员不必担心改变或停止发电装置对核反应堆运行有什么影响。

冷却剂盐

传统核反应堆使用的冷却剂存在严重的安全隐患。例如，因部件故障压力下降，水可“闪蒸”成蒸汽。用钠作冷却剂的设计曾引起火灾。任何高压气冷堆必须有安全系统，以管控压力边界出现破口，进而导致堆芯失冷的后果。因此，从现有反应堆学到的主要经验是，使用化学和物理上稳定的常压冷却剂，如熔盐。

FLEX反应堆使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，确信它与石墨慢化剂没有相互作用。

熔盐对金属的腐蚀是业内长期存在的难题。在冷却剂盐内熔入少量的铝，清除任何可能泄入堆内的氧气，可防腐蚀。

剩余发热

非能动排出余热系统(RHRS)连续运行，排出的热量占反应堆额定功率的0.5%。为实现系统完全“非能动”，值得承受这点损失。它利用空气自然对流，冷却反应堆箱体外层的底部、两侧和顶部。局部温度限制在300 ~ 400 °C。反应堆箱体外侧与堆坑壁之间的空间，分为内部和外部风管，作为冷空气产生的进、出口。而后，空气排入反应堆厂房(见图6)。

图6：余热排出系统

如果反应堆额定功率运行时完全停止“散热”，最初的高衰变热会使反应堆升温，比正常运行温度高约50°C。此后，通过RHRS连续排出0.5%的额定热能，直到温度足够低，相对运行温度下降的反应性温度，足以重返临界状态。之后反应堆稳定在满功率的0.5%，直到电厂运营者需要更多的热量为止。

见解与思考

稳定熔盐堆(SSR)是英国化学家、Moltex能源公司董事会主席伊恩·斯科特(Ian Scott)的发明，目标是“让清洁能源比化石燃料更便宜”。SSR有熔盐堆的一切优势，是典型的先进堆;但把熔盐燃料的发热与冷却功能“分离”，仅用来取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挑战，看起来就像传统水冷堆(PWR、BWR)那么熟悉又简单……

FLEX型稳定熔盐堆是Moltex能源公司稳定熔盐热谱堆(SSR-U)设计[5]的简化和改进。它简化到极致，只剩下“核岛”部分，仅靠固有、非能动设计系统“自然循环”运行。凡有可能发生放射性异常的系统，均无“运动”部件;与核控制区外的储热与常规发电部分“耦合”，致使整个现场成为比设计核容量高数倍、可调度的“储能”设施。

FLEX型SSR有几个专利设计，还没有给出详细的设计参数。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，几乎与传统轻水堆的核燃料浓缩度相同;

—换料周期20-25年，电厂寿命75年;

—石墨慢化剂;

—可提供750℃的热能;

—募集私有资金建造，不靠国家资助;

—500 MW核电厂的建设工期仅24个月;

—发电成本与风力发电相当……

在国际上，水冷PWR/BWR小型模块式反应堆(SMR)，NRC已给NuScale和BWRX-300型设计颁发许可，第四代核能和先进SMR开发已集中在高温冶金后处理工艺和熔盐堆，再花费时间和资源开发其他类型的先进堆价值不高。研究、开发SSR型热谱和快谱堆是发展先进SMR的捷径，值得组织核能界深入探讨、研究。

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：依靠物质/物体固有本性等自然规律确保安全，如水往低处流，冷热空气对流……

非能动安全，passive safety：毋需依赖外部输入而执行功能的;其功能的执行是在感受到某种参数，如压力、温度、流量的变化后完成的;基于不可逆动作或变化又十分可靠的，也属此类。

[4] GridReserve©，Moltex能源公司设计的电(热)网储能设施，特指熔盐(太阳盐)储热罐及附属的管网设施(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.