新一代超小型核燃料:Triso核能“强力球”将解决传统核反应堆熔毁问题

新一代超小型核燃料:Triso核能“强力球”将解决传统核反应堆熔毁问题
新一代核燃料:Triso颗粒,是一种看起来像“外星”燃料,其自带安全功能,将为新一代高温反应堆提供动力。

新一代核燃料:将解决传统核反应堆熔毁问题——核泄漏的基本成因

所有核电站的基本理念都是一样的:将核裂变产生的热量转化为电能。有几种方法可以做到这一点,但在每一种情况下,都需要在安全和效率之间取得微妙的平衡。核反应堆在堆芯很非常热的时候工作得最好,但如果堆芯温度过高,就会引起堆芯熔毁,从而会导致环境污染和人员伤亡,而且需要花费数十亿美元来清理这个烂摊子。

上一次发生这种情况是在不到10年前,当时一场大地震和一系列海啸导致日本福岛第一核电站(Fukushima Daiichi)熔毁。但是,在未来几年内即将上线的新一代反应堆,旨在让这类灾难成为过去。新一代反应堆不仅比目前的核电站更小、更高效,而且其设计者还声称它们几乎不会发生熔毁。那么,这其中的奥秘是什么呢?数以百万计的亚毫米大小的铀颗粒,被单独包裹在保护性的外壳中。其名为Triso 燃料,它的形状就像一个“珍珠奶茶”一样,只不过是带有放射性。

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Triso燃料的优势:体积小、安全、高效和耐高温

Triso——直观的描述的话,它是一个三层结构的各向同性粒子,是由低浓缩铀和氧气的混合物制成的,周围有三层交替的石墨和一种叫做碳化硅的陶瓷层。每个粒子比芝麻还小,但它的层状外壳可以保护里面的铀不至于熔化,即使在反应堆中可能发生的最极端条件下也是如此。

保罗·德姆科维茨(Paul Demkowicz)是爱达荷国家实验室高级气体反应堆领域开发和鉴定项目的主任,他的大部分工作是模拟下一代核反应堆的最糟糕情况。在过去的几年里,德姆科维茨(Demkowicz)和他的同事们一直在对Triso燃料进行鉴定测试,包括将它们放入反应堆并调节至不同温度。如今,大多数核反应堆的运行温度远低于538℃,即使是下一代高温反应堆的最高温度也只在1093℃左右。但在INL的测试中,德姆科维茨(Demkowicz)展示了Triso可以承受超过1760℃的反应堆温度。在长达两周的测试中,30万个颗粒中没有一个Triso的涂层失效。

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“在新的反应堆设计中,基本上不可能超过这些温度,因为反应堆在达到这些高温时就会关闭。因此,如果你把这些反应堆设计与能够承受高温的燃料结合起来,你就基本上拥有了一个防事故的反应堆。“德姆科维茨(Demkowicz)对此解释道。

在传统的核反应堆中,防止熔毁的主要防线是燃料控制棒,电厂操作人员使用它来控制堆芯的裂变速率。如果物质温度过高,他们就会把更多的燃料棒推入堆芯,这样裂变速度和温度就会降低。世界上每一个正在运行的核反应堆都被安置在一个巨大的安全壳结构中,这一设计旨在防止放射性物质泄漏,以防万一出现此类问题。

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但有了Triso燃料,这些安全功能就显得是多余的,因为每个粒子都被有效地包裹在控制棒中。这为以前无法实现的小型反应堆设计打开了新的大门。BBWXT是一家制造Triso燃料和核反应堆的公司,该公司核运营集团总裁乔尔·杜林(Joel Duling)说:“现在你不必去建造一座耗资数亿美元建造一座反应堆的大型安全壳,因为这种燃料本身就带有安全壳。因此,你可以拥有一个能够放在货柜中的反应堆,并且仍然具有传统商业反应堆的所有安全功能。”

1960 ~2020:Triso燃料研发的艰辛之旅

自20世纪60年代以来,Triso燃料就已经出现了,但它的制造成本高昂,并且没有足够的能量密度来满足世界上大多数核电站中的巨型轻水反应堆的需求。然而,当美国能源部在2015年启动 “核电加速创新门户 “计划(Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear program)以来,开始对开发小型高温反应堆的公司进行大量投资支持,Triso燃料的时代似乎已经到来。目前,就只是有一个问题:没有人在生产它。

受价格和需求下降的刺激,美国的核燃料生产能力自上世纪80年代中期以来一直在直线下降。但在2003年,BWXT公司与美国能源部合作生产用于测试的Triso燃料,并表明如果需求上升,他们可以大规模生产这种核燃料当时,乔治·W·布什总统(George W. Bush)正在推动美国即将到来的“核复兴”,但事实证明,这一声明为时过早。15年后,在数亿联邦资金注入核电初创企业的浪潮之后,核能复兴才得以实现。直到去年10月,BWXT公司才宣布重新启动其Triso生产线,为未来几年将投入使用的下一代高温核反应堆提供燃料。

“我们认为,在不太遥远的将来,一波新的反应堆热潮将带来巨大的需求。”杜林说:”到21世纪20年代末30年代初,Triso燃料将成为燃料类型的主导地位。”

BWXT是美国仅有的两家开发Triso燃料进行商业化生产的公司之一,并且还向美国政府提供这种燃料,用于其实验性的3D打印核反应堆。另一家公司是位于马里兰州的X-energy,它在核能业务方面相对较新,但从去年年初开始就在橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)运营一个Triso的试点生产设施。

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Triso燃料的制备工艺、性能问题和展望

将铀原料转化成Triso是一个多步骤的过程,首先是将铀(从地球上开采的矿石或从武器级原料中提炼出来的铀)与化学物质一起处理,然后将其变成凝胶状的珠子。这些珠子,每个直径只有一毫米,像果冻豆一样,然后被放在一个炉子里,注入气体,在炉子里分解,在铀核周围沉积出薄薄的石墨和碳化硅层。这样就得到了很多坚不可摧的Triso燃料颗粒,接下来,这些颗粒被数以万计地压制成圆柱形或球形的燃料颗粒。

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BWXT制造的燃料颗粒采用了更传统的形状——一个子弹大小的小圆柱体,但X-energy将其Triso燃料放入一个台球大小的闪亮银球中。X-energy首席执行官、前美国能源部副部长克莱塞尔(claysell)喜欢称它们为“动力球”,并表示它们将被用来为公司的新反应堆x -100提供燃料。Xe-100是一个小型球床反应堆,设计功率只有75兆瓦。为了便于比较,美国目前最小的运行中的核反应堆的功率约为600兆瓦)。X-energy的燃料生产副总裁皮特·帕帕诺(Pete Pappano)将其比作一台口香糖机。”动力球穿过堆芯,从底部出来,然后回到顶部,”帕帕诺(Pappano)这么解释道。Triso球大约需要半年的时间才能完成反应堆内部的循环。在需要更换之前,它可以穿过堆芯六次。

还有其他好处。塞尔(Sell)认为,未来使用Triso燃料运行的核电站,不需要在反应堆周围有数英里的空地,而是可以设在靠近用户的地方。塞尔(Sell)表示:”从物理上讲,Triso的熔毁问题是不可能存在——因为这已经违反物理定律了。而当你开始使用一个不能的熔毁反应堆时,你的安全情况就会完全改变。” 这就是为什么美国国防部今年与X-energy和BWXT签订协议,为偏远的军事基地开发小型移动式核反应堆的部分原因,这也是为什么NASA正在考虑为核动力航天器提供Triso燃料的原因。

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与其他每一个商用先进核反应堆一样,Xe-100目前正在接受核管理委员会的审查。这是一个漫长而艰辛的过程,但如果监管机构给予批准,帕帕诺(Pappano)表示,X-energy准备在十年前对该反应堆进行全面的规模演示。同时,X-energy和BWXT都在集中精力扩大其Triso燃料生产设施,这样当下一代核反应堆到来时,他们就会有足够的燃料来让熔毁问题成为历史。 [今天头条]

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