馬圖斯·佩特(Mateusz Pater)、埃斯本·布林特·克林比(Esben Bryndt Klinkby)和丹尼爾·庫珀(Daniel Cooper)，2022年初在《國際核工程》網(wǎng)站介紹了丹麥西博格技術(shù)公司開發(fā)的小型熔鹽堆(CMSR)。這是個鈾基氟化物熔鹽做燃料和主冷卻劑的熱譜堆，顯著特點是提議用氫氧化鈉鹽做慢化劑[1]。

圖1. 兩個、四個和六個CMSR的動力駁船效果圖

西博格技術(shù)公司(Seaborg Technologies)[2]是丹麥的一家公司，正在開發(fā)先進(jìn)的、固有安全的下一代核反應(yīng)堆，稱為小型熔鹽堆(Compact Molten Salt Reactor, CMSR)。

西博格公司的使命是通過連續(xù)生產(chǎn)模塊化、浮動式動力駁船，在全球范圍內(nèi)提供清潔、有成本競爭力的動力，支持能源市場不斷增長、無法完全依賴可再生能源的那些國家。

因為一個CMSR只提供100 MWe或250 MWt的動力，概念上可視為小型模塊化反應(yīng)堆技術(shù)，允許快速部署，以降低資本(基建)成本，并增加選址的可能性。動力駁船設(shè)計可擴(kuò)展，可以配置2～8個運行的CMSR，提供高達(dá)800 MWe或2000 MWt動力。

西博格技術(shù)公司的員工人數(shù)目前已近80人。2020年美國航運局(ABS)批準(zhǔn)這種技術(shù)的可行性聲明以來[3]，員工人數(shù)一直在快速增長。隨后的融資和人數(shù)增加，大大加快了CMSR的設(shè)計工作和實驗活動。西博格公司繼續(xù)招募人才，建造新的實驗設(shè)施，以實現(xiàn)2026年開始商業(yè)運營CMSR模塊雄心勃勃的計劃。

小型熔鹽堆設(shè)計

自2020年以來，西博格公司一直致力于CMSR概念設(shè)計，一旦完成，通過原型堆測試，將構(gòu)成成熟級的技術(shù)。

CMSR是熱譜堆，鈾基燃料也作為主冷卻劑。這個堆的顯著特點是使用專利的液態(tài)慢化劑，即氫氧化鈉熔鹽(NaOH)。使用氫氧化物熔鹽，與先進(jìn)材料和腐蝕控制方法相結(jié)合，可使單個CMSR的使用壽期達(dá)到12年。

CMSR由幾個系統(tǒng)及其各自的子系統(tǒng)組成。CMSR的核心部件、發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)之處是反應(yīng)堆堆芯，靠反應(yīng)堆堆芯容器封裝。氟化物燃料熔鹽通過堆芯一系列燃料細(xì)管循環(huán)。這些燃料細(xì)管把燃料鹽與熔態(tài)氫氧化鈉慢化劑分開。燃料鹽回路的關(guān)鍵部件是化學(xué)控制單元，它既控制鹽的腐蝕性，又提取裂變產(chǎn)生的惰性氣體。燃料鹽靠泵壓入一次熱交換器，把熱量傳遞給二次鹽，再通過蒸汽發(fā)生器將熱量傳遞給高壓水，產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動傳統(tǒng)渦輪機(jī)發(fā)電。CMSR的熱能還可直接用于發(fā)電以外的其他用途，如生產(chǎn)合成燃料。

圖2. CMSR主回路及周邊系統(tǒng)的簡化模型

西博格公司的設(shè)計盡可能依靠固有安全。CMSR是“簡易”(walk-away)安全的，因為除了其他特征，反應(yīng)性溫度系數(shù)為負(fù)，放射性物質(zhì)化學(xué)地保留在氟鹽中，燃料沸騰裕度大，而且連續(xù)去除氣態(tài)裂變產(chǎn)物。

CMSR的主要專設(shè)安全設(shè)施是位于反應(yīng)堆堆芯下方的疏液箱。發(fā)生異?；蚴鹿蕰r，泄放閥“自動”打開，燃料鹽進(jìn)入專門設(shè)計的容器中，借此終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，降低放射性水平，并排出余熱。能動和非能動冷卻方法都可用來去除放射性衰變產(chǎn)生的余熱。

建造的動力駁船可容納多個動力模塊，數(shù)量取決于所需的總功率。每個動力模塊有兩個在役CMSR。前兩個反應(yīng)堆是在造船廠建造動力駁船期間預(yù)裝的。動力模塊在空的反應(yīng)堆艙內(nèi)留有兩個CMSR的空間。經(jīng)過12年的運行后，動力模塊中兩個初始CMSR燃料耗盡，反應(yīng)堆關(guān)閉。那時，兩個新的CMSR運入空的堆艙，經(jīng)安裝、調(diào)試，以最短的停機(jī)時間移交動力生產(chǎn)。因此，動力駁船的使用期延長到24年，在電廠的整個使用期內(nèi)，只進(jìn)行一次換料(即只更換動力模塊中的CMSR)。

圖3. 動力駁船頂視圖：一個動力模塊，兩個空艙，兩個完整的堆艙

運行24年后，動力駁船運交退役設(shè)施，動力設(shè)施現(xiàn)場恢復(fù)原狀。因此，CMSR退役比傳統(tǒng)核反應(yīng)堆簡單得多。

西博格公司的長期目標(biāo)是用過的燃料鹽后處理和再循環(huán)，使廢物占據(jù)的空間最少，有可能把廢物的壽命限定在300年左右。所有的廢物流都可以，并在現(xiàn)有的核退役框架內(nèi)進(jìn)行處理。核廢物是穩(wěn)定的，因為它包含在氟鹽內(nèi)。組成動力駁船的模塊，其建造方式只是使反應(yīng)堆單元和屏蔽層有放射性。動力裝置的其余部分可以退役，就像其他任何非核的電廠一樣。

氫氧化鈉慢化劑

熔鹽堆(MSR)并不是新概念。它在20世紀(jì)50年代和60年代在美國橡樹嶺國家實驗室首次開發(fā)和研究，由此產(chǎn)生的熔鹽堆實驗裝置(MSRE)是多個新核反應(yīng)堆公司靈感與知識的源泉，包括海運。MSRE的慢化劑是石墨。石墨可以承受MSR的極端高溫和腐蝕環(huán)境，但它在反應(yīng)堆使用壽期內(nèi)遭受輻照損傷。這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料先收縮后膨脹，從而產(chǎn)生裂縫，最終導(dǎo)致失效。由于慢化劑使用壽命較短，石墨的問題主要轉(zhuǎn)化為需要大約每五年更換一次反應(yīng)堆堆芯。

西博格公司采取完全不同的方法。用它的專利慢化劑即氫氧化鈉熔鹽取代石墨。其熔點和沸點與MSR使用的氟化物熔鹽兼容，最重要的是液體，不遭受輻照損傷。由于它的中子學(xué)特性，可以很好地充當(dāng)慢化劑，這也使反應(yīng)堆堆芯尺寸大大減少(因此這種堆是“小型”的)。

引入氫氧化鈉的另一個挑戰(zhàn)是腐蝕性，對此，西博格公司正在進(jìn)行廣泛的實驗活動。如不加控制，高溫下的氫氧化鈉熔鹽化學(xué)性質(zhì)，會使反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料，即包含熔鹽的容器和管道發(fā)生腐蝕。即使通常用于高溫堆的鐵和鎳基合金，也很難容納未經(jīng)處理的氫氧化鈉熔鹽。然而，結(jié)合最先進(jìn)的材料和西博格公司的腐蝕控制方法專利，CMSR結(jié)構(gòu)材料的腐蝕速率顯著降低。因此，單個CMSR的運行壽命預(yù)計為12年，優(yōu)于石墨慢化的MSR。

測試活動

為確保與腐蝕性氟化物和氫氧化物熔鹽接觸的反應(yīng)堆芯細(xì)管能夠承受反應(yīng)堆運行的嚴(yán)酷條件，西博格公司正在進(jìn)行大量的實驗，重點是掌握腐蝕控制。

有了全新、最先進(jìn)的實驗室，就可在CMSR運行條件下，同時使用燃料鹽、慢化劑鹽和二次鹽，進(jìn)行大量的實驗。測試活動用于材料選擇、傳感器和工藝開發(fā)、性能測量、概念、模型和需求驗證等。

他們還在設(shè)計、建造和測試自己定制的實驗設(shè)施和樣機(jī)。他們在國內(nèi)和國際建立了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的伙伴關(guān)系，以簡化實驗驗證活動的工作。其內(nèi)部工程和化學(xué)專家正在攜手開發(fā)熔鹽流回路，用于測試和驗證反應(yīng)堆設(shè)計的各個方面。他們正在進(jìn)行的長期測試活動，針對的是自己關(guān)鍵的知識產(chǎn)權(quán)(IP)，即氫氧化鈉腐蝕控制。

圖4. 西博格公司新實驗室的一部分

中子學(xué)試驗

當(dāng)中子能量很高時，例如由快裂變產(chǎn)生的中子，與材料之間的相互作用可以很好地理解，并且可以使用蒙泰卡羅技術(shù)為所有材料精確建模。然而，CMSR依靠氫氧化鈉把中子能量降到熱態(tài)。為了準(zhǔn)確地模擬調(diào)節(jié)，至關(guān)重要的是精確地了解中子與材料之間的相互作用，因為這些發(fā)生在原子尺度及以下的相互作用，最終決定宏觀物理量，如中子譜、能量沉積和反應(yīng)性。

熱化過程本身取決于氫氧化鈉分子結(jié)構(gòu)的特定性質(zhì)，這一點迄今為止是未知的，因此不可能精確地模擬熱化過程。由于這些原因，已經(jīng)發(fā)起一個實驗性的“戰(zhàn)役”，測量氫氧化鈉的中子散射特性。幾十年前，為了解傳統(tǒng)反應(yīng)堆內(nèi)基于水中慢化發(fā)生的慢化細(xì)節(jié)，就曾經(jīng)對水進(jìn)行了等效實驗。

由于關(guān)注的相互作用取決于靶分子的激發(fā)，而它們?nèi)Q于溫度，特別是材料的“相”。為了能夠在所有可預(yù)見的情況下準(zhǔn)確地模擬CMSR，有必要在很寬的溫度范圍內(nèi)模擬中子與固態(tài)和液態(tài)氫氧化鈉的相互作用。

測量中子對氫氧化鈉的散射所需的實驗戰(zhàn)役從固相開始。西博格公司與瑞典隆德來的歐洲散裂源(ESS)[4]專家以及英國牛津郡的ISIS[5]中子散射專家合作，把氫氧化鈉樣品暴露在ISIS中子束下，用其VESUVIO光譜儀，在幾個溫度下，測量能量與總散射截面的相關(guān)性。然后從透射光譜中計算出總截面，目前正在進(jìn)行后處理。我們的目的是一旦完成，就公開出版和分享開發(fā)的軟件庫。

CMSR正常運行期間，慢化劑將呈液態(tài)形式，在高溫下進(jìn)行，因此必須使用液態(tài)樣品重復(fù)測量和建模。ISIS、ESS和Seaborg之間的合作仍在繼續(xù)，以便設(shè)計下一個實驗。

雖然仍有實驗要進(jìn)行，基本數(shù)據(jù)需要收集，但西博格公司正在努力推進(jìn)CMSR的設(shè)計，并在2026年將該反應(yīng)堆推向市場。 

圖5. 商業(yè)化之路：CMSR項目時間表

圖6. 正在西博格公司總部展覽的第一個熔鹽回路

啟示與見解

丹麥西博格技術(shù)公司開展熔鹽堆研究較早，2018年初獲得第一筆外部資金，但到2020年才正式公開，2024年就要建成原型堆，2026年建造動力駁船式系列產(chǎn)品，速度之快，值得關(guān)注。跟他們競爭的是美國的500 MWe ThorCon型浮動熔鹽堆(TMSR-500)，西班牙工程公司(EA)承包，建在印尼[6]。

西博格公司的CMSR設(shè)計靈感的源泉是美國橡樹嶺國家實驗室的MSRE，但有兩大“突破”：熱譜，慢化劑改用氫氧化物鹽，化學(xué)控制防腐蝕，堆芯使用壽期12年;把CMSR做成“黑匣子”，定期更換反應(yīng)堆單元，可以出售或出租，負(fù)責(zé)換料和退役。開辟這種模式，解除買方壓力，對普及世界和平利用核能是個“強(qiáng)心劑”。先進(jìn)堆和小型模塊式反應(yīng)堆(SMR)走上這條路，核能才算邁上“陽關(guān)大道”……

資料與注釋：

1 Mateusz Pater, Esben Bryndt Klinkby and Daniel Cooper, Molten salt revisited: the CMSR, NEI, 24 January 2022

2 西博格技術(shù)公司(Seaborg Technologies)，丹麥的一家公司。2014年開始在哥本哈根的一個地窖里，三個物理學(xué)家在那里釀造啤酒，由來自尼爾斯·玻爾研究所、丹麥技術(shù)大學(xué)、歐洲核子研究中心、加州大學(xué)伯克利分校、歐洲散裂源和保羅·舍勒研究所的科學(xué)家們創(chuàng)立，2018年初獲得第一筆外部資金?，F(xiàn)在，它雇傭了大約80名員工，從核工程師到業(yè)務(wù)開發(fā)人員，擁有并經(jīng)營著幾個實驗室，正在為下一代核反應(yīng)堆建造“取證”努力工作。

3 美國航運局，American Bureau of Shipping(ABS)，成立于1862年，總部在美國德克薩斯州休斯頓市。所謂“Feasibility Statement”，詳見Seaborg Technologies，Clears First Classification Milestone for Maritime Deployment of Nuclear Power Barges with ABS Statement, PRESS RELEASE, 17/12/2020。

4 歐洲散裂源，European Spallation Source(ESS)，屬歐洲研究基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)盟(ERIC)，是世界最強(qiáng)大的中子源為基礎(chǔ)的多學(xué)科研究設(shè)施。在與材料、能源、健康和環(huán)境相關(guān)的研究方面取得科學(xué)突破，并解決這個時代一些最重要的社會挑戰(zhàn)。

5 ISIS，世界上凝聚態(tài)研究中最強(qiáng)大的脈沖中子來源，位于英國盧瑟福阿普爾頓實驗室。

6 WNN, Empresarios Agrupados contracted for first ThorCon reactor, 26 January 2022。