美國能源部資助兩種先進反應堆研發

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美國能源部資助兩種先進反應堆研發

【本刊2016年2月綜合報道】 美國能源部（DOE）2016年1月15日宣布，將在未來幾年為X-能源公司（X-energy）和南方服務公司（Southern ComPany Services）各提供總額達8000萬美元的資助，以進一步推進兩種先進反應堆設計的研發：Xe-100球床高溫氣冷堆和氯化物熔鹽快堆（MCFR）。

能源部的這一決定是在完成一個招標過程之后做出的。能源部未來將以費用共擔的方式推進Xe-100球床高溫氣冷堆和氯化物熔鹽快堆的研究工作。這兩個項目的初始投資額均為600萬美元，最終投資總額均將達8000萬美元。

這一行動是在能源部加速核能創新接口（GAIN）倡議下以公私合作方式推進核能研發的實例。加速核能創新倡議2015年11月由美國政府宣布，其目的是使核工業界能夠獲得能源部的技術、監管和財務支持，從而加速推進新型先進反應堆設計的商業化進程。

X-能源正在與下述機構合作研發Xe-100球床高溫氣冷堆：BWX技術公司（BWXT）、俄勒岡州立大學、特萊丁·布朗工程公司（Te1edyne-Brown Engineering）、SGL集團（SGL GrouP）、愛達荷國家實驗室（INL）和橡樹嶺國家實驗室（ORNL）。根據能源部提供的信息，這種先進反應堆的安全特性及其小于傳統反應堆的尺寸，使其能夠在確保公共安全的同時服務于更廣泛的社區——尤其是人口稠密區。

這種設計基于能源部以前投資的三向同性（TRISO）燃料技術。X-能源表示，能源部的資助將主要用于技術研發，包括堆芯模擬、燃料制造以及核管會（NRC）“拓展”。

南方服務公司是南方公司（Southern ComPany）的子公司，正在與下述機構合作研發氯化物熔鹽快堆技術：泰拉能源公司（Terra Power）、美國電力研究所（EPRI）、范德比爾特大學和橡樹嶺國家實驗室。能源部的資助將用于開展綜合效應研究和材料適宜性研究。

Xe-100反應堆

Xe-100是一種125 MWt/45 MWe球床高溫氣冷堆，基于過去50年的高溫氣冷堆研發和運營經驗，并充分利用了美國能源部投資4億多美元獲得的石墨和TRISO燃料技術研究成果。

圖1　Xe-100反應堆系統配置圖

一座標準Xe-100電廠將由4個反應堆模塊構成，總裝機容量為180 MWe。除了發電，Xe-100還可用于熱電聯供。

這種反應堆使用具有固有安全性的球形燃料（見圖2）。在這種球形燃料中，鈾碳氧化物（UCO）內核被碳層和陶瓷層包裹，因此能阻止放射性物質的釋放；TRISO顆粒能夠使各顆粒之間保持個體的獨立性，一個顆粒的完整性受損不會使其他顆粒也受損；包覆著TRISO顆粒的石墨能夠慢化反應。

圖2　Xe-100反應堆的燃料結構

Xe-100的內在安全通過下述特性得到保證：相對較低的功率密度（約3.7 MW/m3）、石墨構件布局帶來的強熱慣性以及在反應堆所有運行狀態中的大負溫度系數。球形燃料中的獨立裂變產物釋放屏障（例如碳層和陶瓷層）進一步加強了反應堆的安全性。此外，由于建議將反應堆建在地下，且采用模塊式布局，因此反應堆對飛行器撞擊或惡劣天氣的承受能力較強。

總而言之，Xe-100相對于其他反應堆設計的獨特之處在于：

·超安全——非能動冷卻設計可防止堆芯熔毀，獨立的放射性核素屏障實際上消除了放射性核素釋放的風險。

·小廠區占地面積——廠區的占地面積小，因此可以建在重要的軍事基地、現有的“棕地”（根據美國相關法律，“棕地”是一些不動產，這些不動產因為現實的或潛在的有害和危險物的污染而影響到它們的擴展、振興和重新利用）電廠以及其他位置。

·小應急計劃區——超安全設計使得應急計劃區能夠位于廠區邊界內，因此能夠在人口稠密區建設Xe-100電廠。

·安全的廠區——反應堆及其控制設施位于地下，因此能夠承受地震或人為攻擊的影響。

·逐步建設——由于采用的模塊化建設方法，因此可以在一座電廠中逐步增加反應堆模塊的數量，從而降低前期投資費用。

·可靠性——由于能夠進行自動換料，因此Xe-100實際上消除了換料停堆，這使得電廠的容量因子可超過95%。

圖3　Xe-100電廠布局圖

氯化物熔鹽快堆

氯化物熔鹽快堆與美國橡樹嶺國家實驗室在20世紀50和60年代的熔鹽堆計劃中研發的氟化物熔鹽熱堆有許多共同的優勢。這兩種設計均不需要進行燃料制造，簡化了化學加工技術。此外，兩種設計均使用具有良好熱容量的熔鹽混合物，具有化學穩定性。

但這兩種設計之間也存在重要區別。氟化物反應堆通常是熱堆，使用石墨作為慢化劑。氯化物反應堆通常是快堆，因為相對于氟而言，氯是一種低效的中子慢化劑。實際上，由于氯是一種低效的中子慢化劑，因此氯化物反應堆可能擁有非常快的快中子譜。

自熔鹽堆概念在20世紀50年代首次提出以來，研究人員就對使用氯化物液體燃料的反應堆進行了研究。A1vin Weinberg在1957年發表的論文中提及了氯化物反應堆方案。Mieczys1awTaube在20世紀60和70年代撰寫了一系列有關氯化物反應堆的文章，介紹了這種反應堆的優點。

但迄今為止，沒有一種氯化物反應堆概念進入到示范階段。

根據泰拉能源公司的介紹，氯化物反應堆具有下述優勢：

·由于使用非反應性冷卻劑，擁有大負溫度系數和空泡系數以及剩余反應性接近零，因此反應堆的安全性得到了加強。

·由于可進行在線換料，并具有高功率密度和效率，因此可將發電成本降至最低；

·由于可使用貧鈾燃料、天然鈾燃料、釷燃料和/或用過的燃料（UNF），可以使用部分裝有UNF的堆芯啟動，因此可以提供一種新的核廢物管理方案。

·由于錒系元素停留在堆芯、子堆芯或處理系統中以及錒系元素總是與鑭系元素混合在一起，因此反應堆具有強大的不擴散特性。

·由于不需要進行濃縮，擁有強大的不擴散特性，降低了對水的需求，以及能夠為非電力應用提供高溫工藝熱，因此可為所有國家提供能源。

（信息來源：世界核新聞網站和美國能源部網站等）

（伍浩松趙 宏撰稿）