熔盐反应堆如何引领下一个能源生产热潮?

熔盐反应堆如何引领下一个能源生产热潮?

熔盐反应堆可能是未来的无碳绿色能源,它们的运行成本已经低于煤电厂。

熔盐反应堆最早于20世纪60年代建成并投入使用,是一种有前途的能源技术。这些反应堆有各种不同的设计,本质上,它们都主要利用低压下的熔融氟盐作为反应堆的冷却剂。

虽然熔盐反应堆最初是在60年前开发出来的,但由于其腐蚀性,它们被排除在了人们的视线之外,当时投资其他类型的能源似乎更有利可图。如今,熔盐反应堆作为标准核能和碳基能源的替代品,又重新引起了人们的兴趣。

熔盐反应堆(MSRs)有大量不同的设计。它们通常使用的熔融燃料是溶解在浓缩铀氟化物中的氟化锂和铍盐的混合物,而不是大多数反应堆中使用的固体燃料。然后,反应堆的核心使用石墨引导盐在华氏1292度(700摄氏度)左右流动。然后,燃料产生的热量被用来产生反应堆的蒸汽,为发电的涡轮机提供动力。

最受关注的MSR之一是液态氟化钍反应堆(LFTR),它使用溶解在氟化盐中的钍和铀。为了更详细地了解这一点,以及为什么这种燃料溶解在盐中的布局是有益的,让我们来看看MSR的能量生产能力。

熔盐反应堆的能源生产能力

衡量一个特定过程的能源生产能力的方法之一是使用ERoEI这一指标,也就是所谓的能源投资回报率。

太阳能电池板的ERoEI约为10,这意味着你能获得投资能量的10倍回报。对于化石燃料,如煤,这个数字是18到43之间。但对于熔盐反应堆呢?它们的ERoEI估计在1200左右。

熔盐反应堆如何引领下一个能源生产热潮?

示意图描述了陆地能源公司的新设计整体熔融盐反应堆的各种可能的热量应用。 资料来源: 地球能源/维基媒体

一个熔盐反应堆输出的能量是非常可观的,而且效率非常高,这为使用这些反应堆类型提供了有力的论据。

但是ERoEI并不是我们可以查看特定电源优势的唯一方法,您还可以查看生产给定量能量需要多少原材料。与煤炭相比,竞争还是很小的。为了生产一吉瓦年的电力,一个燃煤电厂将需要处理超过570公里的充煤列车,而一个熔融盐反应堆仅需要1000公斤的燃料,通常是钍或铀。

但是,对于任何形式的核能生产,考虑到潜在的环境损害以及需要解决的核废料处置问题,一般都会有很多人反对。

熔融盐反应堆产生的废物

即使与传统的燃煤电厂相比,熔融盐反应堆实际上也是产生废物量更好的电厂设计之一。当燃烧煤炭用于能源生产时,会产生大量的灰烬。当然,燃煤电厂也会产生大量的二氧化碳副产品。 获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

与熔融盐反应堆相比,燃煤电厂的效率明显较低。每年每吉瓦的电能产生的MSR约1吨废物。与此相比,一家发电厂生产相同数量的能源的二氧化碳约为900万吨。 

但是,应注意的是,废物类型存在本质差异。熔融盐反应堆产生的废物具有放射性,需要储存至少300年,然后才能释放回地下。 

熔盐反应堆如何引领下一个能源生产热潮?

熔盐反应堆堆芯示意图。来源:  Terrestrial Energy Inc./Wikimedia

熔融盐反应堆只是传统核电站的一种高效变体,最近,核电已成为一种更安全的能源。与传统核反应堆的比较实际上使MSR的效率更加清晰。如前所述,典型的MSR每产生1吉瓦的电能就需要约1000千克的盐燃料。传统的固体燃料核反应堆需要约250吨浓缩铀才能完成相同的工作,而且许多废物必须存储长达100,000年以上才能释放回地球。

现代核反应堆产生的大量废物是一个问题,但是熔融盐反应堆提出了潜在的解决方案。许多MSR设计还允许将来自传统反应堆的大部分废物用作燃料。这也可以高效完成,因为正常反应堆一年产生的废物可能为MSR供电约250年。

这些熔融盐反应堆的效率是显而易见的,而且,它们也恰好是传统核电的相对安全的替代品。 

MSR是安全的

核熔毁。围绕核能最可怕的两个词。传统的固体燃料核反应堆如果核心的热量管理不当,就会有熔化的风险。由于熔盐反应堆的堆芯已经熔化,基本没有熔毁的风险。

也许最重要的是,因为MSR的堆芯没有压力,所以爆炸不是一个潜在的风险。MSR可以在大气压下运行的事实意味着,管子的泄漏不会自动导致核燃料和冷却剂的排出。这是一个重大的安全优势,可以实现被动的热量衰减,这将防止像福岛这样的事件发生。这也意味着在这种情况下,不需要昂贵的容纳区域。

考虑MSR工作原理的最佳方法是将其视为盛有热粘性液体的锅。通过这些流体中的核反应,锅被完全加热。如果您在那个锅子周围洒水,它会变成蒸汽,产生电能,但这也会使锅子变凉。但是,随着锅冷却,内部粘性流体中的原子核(盐)彼此靠近,导致核反应速度加快,更快地产生更多热量。这是一个自我调节系统。这意味着MSR相对易于操作,通常不需要控制棒来引导核反应。

在熔盐反应堆中发生裂变后,有害的裂变产物会自动与熔盐结合,安全地处理这些危险的副产品。传统的核电并不是这样处理的。

这些反应堆还有最后的安全防范措施。在 “锅 “的底部,容纳熔盐,有一个放盐的排水管。在正常情况下,有一个电风扇,可以冷却和凝固盐,形成一个固体盐塞,防止其余的盐顺着管道流下来。如果停电或出现其他问题,风扇会自动关闭。然后塞子熔化,熔化的盐顺着管道流到大罐中。熔盐的热量就会在这些罐子里通过自然对流的方式散失,这是一种相对安全的处理方式。

除了防止熔化外,核反应堆必须考虑的另一个主要安全指标是燃料被盗并被坏人用于制造核弹和其他装置的可能性有多大。常规的核电站需要大量的固体燃料保留在现场,以使反应堆保持运行。 

熔盐反应堆需要零星地进行燃料补充,这意味着在大多数情况下,这些反应堆不需要在现场储存任何多余的燃料,从而降低了这些核燃料落入不法分子手中的可能性。

迄今为止,熔融盐反应堆正日益被推向能源生产的风口浪尖。几家私营公司正在建造自己风格的熔盐反应堆,希望能作为化石燃料的替代品。尽管核能不是可再生能源的黄金之子,但是熔融盐反应堆可提供足够的好处,可以与传统的可再生能源结合成为未来的无碳能源生产方式。 

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