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美國能源部資助兩種先進(jìn)反應(yīng)堆研發(fā)

【本刊2016年2月綜合報(bào)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(wù)公司（Southern ComPany Services）各提供總額達(dá)8000萬美元的資助，以進(jìn)一步推進(jìn)兩種先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的研發(fā)：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(gè)招標(biāo)過程之后做出的。能源部未來將以費(fèi)用共擔(dān)的方式推進(jìn)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(gè)項(xiàng)目的初始投資額均為600萬美元，最終投資總額均將達(dá)8000萬美元。

這一行動是在能源部加速核能創(chuàng)新接口（GAIN）倡議下以公私合作方式推進(jìn)核能研發(fā)的實(shí)例。加速核能創(chuàng)新倡議2015年11月由美國政府宣布，其目的是使核工業(yè)界能夠獲得能源部的技術(shù)、監(jiān)管和財(cái)務(wù)支持，從而加速推進(jìn)新型先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的商業(yè)化進(jìn)程。

X-能源正在與下述機(jī)構(gòu)合作研發(fā)Xe-100球床高溫氣冷堆：BWX技術(shù)公司（BWXT）、俄勒岡州立大學(xué)、特萊丁·布朗工程公司（Te1edyne-Brown Engineering）、SGL集團(tuán)（SGL GrouP）、愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室（INL）和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）。根據(jù)能源部提供的信息，這種先進(jìn)反應(yīng)堆的安全特性及其小于傳統(tǒng)反應(yīng)堆的尺寸，使其能夠在確保公共安全的同時(shí)服務(wù)于更廣泛的社區(qū)——尤其是人口稠密區(qū)。

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

南方服務(wù)公司是南方公司（Southern ComPany）的子公司，正在與下述機(jī)構(gòu)合作研發(fā)氯化物熔鹽快堆技術(shù)：泰拉能源公司（Terra Power）、美國電力研究所（EPRI）、范德比爾特大學(xué)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室。能源部的資助將用于開展綜合效應(yīng)研究和材料適宜性研究。

Xe-100反應(yīng)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(fā)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，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(shù)研究成果。

圖1　Xe-100反應(yīng)堆系統(tǒng)配置圖

一座標(biāo)準(zhǔn)Xe-100電廠將由4個(gè)反應(yīng)堆模塊構(gòu)成，總裝機(jī)容量為180 MWe。除了發(fā)電，Xe-100還可用于熱電聯(lián)供。

這種反應(yīng)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(nèi)核被碳層和陶瓷層包裹，因此能阻止放射性物質(zhì)的釋放；TRISO顆粒能夠使各顆粒之間保持個(gè)體的獨(dú)立性，一個(gè)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(yīng)。

圖2　Xe-100反應(yīng)堆的燃料結(jié)構(gòu)

Xe-100的內(nèi)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(gòu)件布局帶來的強(qiáng)熱慣性以及在反應(yīng)堆所有運(yùn)行狀態(tài)中的大負(fù)溫度系數(shù)。球形燃料中的獨(dú)立裂變產(chǎn)物釋放屏障（例如碳層和陶瓷層）進(jìn)一步加強(qiáng)了反應(yīng)堆的安全性。此外，由于建議將反應(yīng)堆建在地下，且采用模塊式布局，因此反應(yīng)堆對飛行器撞擊或惡劣天氣的承受能力較強(qiáng)。

總而言之，Xe-100相對于其他反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于：

·超安全——非能動冷卻設(shè)計(jì)可防止堆芯熔毀，獨(dú)立的放射性核素屏障實(shí)際上消除了放射性核素釋放的風(fēng)險(xiǎn)。

·小廠區(qū)占地面積——廠區(qū)的占地面積小，因此可以建在重要的軍事基地、現(xiàn)有的“棕地”（根據(jù)美國相關(guān)法律，“棕地”是一些不動產(chǎn)，這些不動產(chǎn)因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)的或潛在的有害和危險(xiǎn)物的污染而影響到它們的擴(kuò)展、振興和重新利用）電廠以及其他位置。

·小應(yīng)急計(jì)劃區(qū)——超安全設(shè)計(jì)使得應(yīng)急計(jì)劃區(qū)能夠位于廠區(qū)邊界內(nèi)，因此能夠在人口稠密區(qū)建設(shè)Xe-100電廠。

·安全的廠區(qū)——反應(yīng)堆及其控制設(shè)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(shè)——由于采用的模塊化建設(shè)方法，因此可以在一座電廠中逐步增加反應(yīng)堆模塊的數(shù)量，從而降低前期投資費(fèi)用。

·可靠性——由于能夠進(jìn)行自動換料，因此Xe-100實(shí)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(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)50和60年代的熔鹽堆計(jì)劃中研發(fā)的氟化物熔鹽熱堆有許多共同的優(yōu)勢。這兩種設(shè)計(jì)均不需要進(jìn)行燃料制造，簡化了化學(xué)加工技術(shù)。此外，兩種設(shè)計(jì)均使用具有良好熱容量的熔鹽混合物，具有化學(xué)穩(wěn)定性。

但這兩種設(shè)計(jì)之間也存在重要區(qū)別。氟化物反應(yīng)堆通常是熱堆，使用石墨作為慢化劑。氯化物反應(yīng)堆通常是快堆，因?yàn)橄鄬τ诜?，氯是一種低效的中子慢化劑。實(shí)際上，由于氯是一種低效的中子慢化劑，因此氯化物反應(yīng)堆可能擁有非?？斓目熘凶幼V。

自熔鹽堆概念在20世紀(jì)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(yīng)堆進(jìn)行了研究。A1vin Weinberg在1957年發(fā)表的論文中提及了氯化物反應(yīng)堆方案。Mieczys1awTaube在20世紀(jì)60和70年代撰寫了一系列有關(guān)氯化物反應(yīng)堆的文章，介紹了這種反應(yīng)堆的優(yōu)點(diǎn)。

但迄今為止，沒有一種氯化物反應(yīng)堆概念進(jìn)入到示范階段。

根據(jù)泰拉能源公司的介紹，氯化物反應(yīng)堆具有下述優(yōu)勢：

·由于使用非反應(yīng)性冷卻劑，擁有大負(fù)溫度系數(shù)和空泡系數(shù)以及剩余反應(yīng)性接近零，因此反應(yīng)堆的安全性得到了加強(qiáng)。

·由于可進(jìn)行在線換料，并具有高功率密度和效率，因此可將發(fā)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(tǒng)中以及錒系元素總是與鑭系元素混合在一起，因此反應(yīng)堆具有強(qiáng)大的不擴(kuò)散特性。

·由于不需要進(jìn)行濃縮，擁有強(qiáng)大的不擴(kuò)散特性，降低了對水的需求，以及能夠?yàn)榉请娏?yīng)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(wǎng)站和美國能源部網(wǎng)站等）

（伍浩松趙 宏撰稿）