據(jù)世界核新聞(WNN)等多家媒體網(wǎng)站報道，美國核管理委員會(NRC)6月13日針對凱洛斯能源公司(Kairos)在田納西州橡樹嶺科技園區(qū)建造赫爾墨斯(Hermes)熔鹽實驗裝置的申請，發(fā)布了它的最終安全評估報告(FSER)[1]。據(jù)Kairos預(yù)計，可能將在今年晚些時候獲得同類首個反應(yīng)堆的建造許可證;該實驗裝置將于2026年投入運行。而最新的進(jìn)展很可能是，同年在橡樹嶺科技園區(qū)建成70MWt KP-FHR型核電廠。

位于橡樹嶺科技園區(qū)的Hermes示范設(shè)施效果圖

NRC的評估結(jié)論是，沒有任何安全方面的因素能阻礙給這個反應(yīng)堆頒發(fā)建造許可證。此前，NRC獨立的反應(yīng)堆安全咨詢委員會提供了它的審查結(jié)果，建議批準(zhǔn)Hermes示范堆建造許可。

Kairos于2021年9月和10月分兩部分提交建造許可申請。但早在2018年開始，即與NRC進(jìn)行了廣泛的申請前的接觸。據(jù)NRC核反應(yīng)堆監(jiān)管辦公室主任安德莉亞·尼爾(Andrea Veil)說，NRC于2021年11月接受Hermes CPA(Construction Permit Application)的審查，承諾加快21個月的審查時間表，并在18個月內(nèi)完成審查，計劃遠(yuǎn)遠(yuǎn)提前。她說，“這反映NRC在提高效率的同時，采用‘風(fēng)險預(yù)知’(risk-informed)的方法，維護(hù)安全的承諾。”

Kairos負(fù)責(zé)監(jiān)管事務(wù)的副總裁彼得•黑斯廷斯(Peter Hastings)說，“我們很高興與NRC本部人員密切合作，完成了一項徹底、高效和創(chuàng)新的審評，這對未來部署先進(jìn)堆令人鼓舞。”“我們期待繼續(xù)與NRC本部人員和委員會密切合作，支持批準(zhǔn)最終環(huán)境影響報告書，并完成強(qiáng)制性聽證會。”

Kairos正在采取“快速迭代”的研發(fā)方法，降低商用化道路上的風(fēng)險，并為建筑和施工建立信心[2]。在未來，還必須提交單獨的運行許可證申請。它說，Hermes建造許可申請在為運行許可申請奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而為未來商業(yè)部署的許可證申請?zhí)峁┙?jīng)驗教訓(xùn)。

Hermes就是這個公司熱功率35 MW、不發(fā)電的氟鹽冷卻高溫堆(KP-FHR)，所用的核燃料是TRISO(三重結(jié)構(gòu)各向同性)顆粒燃料球，冷卻劑為低壓氟鹽。美國能源部選中它作為示范堆，按照先進(jìn)堆示范規(guī)劃，七年內(nèi)獲得6.29億美元成本分擔(dān)撥款，以降低風(fēng)險，旨在為商業(yè)部署更大型的KP-FHR提供運行數(shù)據(jù)。

示范堆選址在橡樹嶺的東田納西科技園區(qū);據(jù)2022年底宣布的協(xié)議，TRISO燃料球?qū)⒂陕逅拱⒗箛覍嶒炇业牡蜐馊剂霞庸ぴO(shè)施生產(chǎn)。Kairos公司還委托一家工廠與Materion公司合作，生產(chǎn)高純度氟鹽冷卻劑，稱之為氟鋰鈹(Flibe)。該公司在另一份聲明中說，位于俄亥俄州埃爾莫爾(Elmore)的熔鹽凈化廠現(xiàn)已將第一批冷卻劑運交新墨西哥州阿爾伯克基市(Albuquerque)凱洛斯能源公司的試驗設(shè)施，以支持工程測試單元(ETU)的運行。

Hermes建造許可申請安全評估概要[3]

安全評估文件，記錄NRC本部人員對凱洛斯能源公司(Kairos)2021年9月29日提交的建造許可申請的技術(shù)審查。申請的是赫爾墨斯(Hermes)試驗堆裝置，計劃建在田納西州的橡樹嶺。

該試驗堆支持Kairos的氟鹽冷卻高溫堆(KP-FHR)的技術(shù)開發(fā)。它是35 MWt的熱譜堆，使用嵌入碳基球中的TRISO燃料顆粒，內(nèi)含高含量低濃縮鈾(HALEU)。這個堆用氟化物熔鹽冷卻劑構(gòu)成球床，主要借助耐高溫的TRISO顆粒燃料實現(xiàn)功能性安全密封。

NRC反應(yīng)堆安全咨詢委員會獨立審查了申請中涉及安全的方方面面，并在2023年5月16日的報告中向核管會提供了審查結(jié)果。

這次安全評估，依據(jù)Kairos截至2023年2月提交的信息，展示NRC本部人員對Hermes施工許可申請的審查意見。據(jù)此，本部人員確定Hermes試驗堆的初步設(shè)計和分析，包括主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn);設(shè)計基準(zhǔn);與建筑材料和總體布置相關(guān)的信息;以及對設(shè)施的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件的設(shè)計和性能進(jìn)行的初步分析和評價：(1) 為最終設(shè)計符合設(shè)計基準(zhǔn)提供了合理保證;(2) 包含足夠的安全余量;(3) 描述的構(gòu)筑物、系統(tǒng)及部件，能防止各種事故并緩解事故的后果;(4) 滿足適用的監(jiān)管要求及核管會導(dǎo)則。

KP-FHR的核燃料、反應(yīng)堆本體剖面與主要技術(shù)參數(shù)(IAEA 2020)

KP-FHR蒸汽循環(huán)原理圖

反應(yīng)堆安全咨詢委員會的“結(jié)論和建議”

1. Hermes設(shè)計的關(guān)鍵特性包括反應(yīng)堆的熱功率低，使用TRISO燃料，氟鋰鈹(Flibe)冷卻劑作為有效的功能性密封(functional containment)，而且有非能動散熱能力。相對監(jiān)管選址標(biāo)準(zhǔn)，總體設(shè)計預(yù)期的劑量后果有很大裕度，允許使用獨特的安全分級方法。

2. 由于氟鹽冷卻高溫堆技術(shù)的首創(chuàng)性質(zhì)，存在性能不確定性。這在Hermes運行期間可最直接解決。

●像Hermes這樣規(guī)模的示范設(shè)施，對測試這種技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要素、設(shè)計特征、安全功能和設(shè)備性能很有價值。

●關(guān)鍵問題是對設(shè)施內(nèi)鈹和氚氣溶膠的管理，使之低于相關(guān)法規(guī)的限值，保護(hù)工作人員的安全。

3. 正如NRC本部人員在評估報告中指出的，相信這個設(shè)施可以按照有關(guān)法規(guī)和初步安全分析報告(PSAR)中概述的設(shè)計基準(zhǔn)進(jìn)行建造。詳細(xì)的設(shè)計、分析和技術(shù)規(guī)格，將在運行許可證(OL)審查之前完成。與石墨氧化有關(guān)的可燃?xì)怏w問題，應(yīng)包括在這些評審中。

4. 應(yīng)批準(zhǔn)Hermes的建造許可證。

背景

Hermes設(shè)施是個35 MW的試驗堆，將根據(jù)10 CFR第50.21部分“104類許可證”獲得許可;這個反應(yīng)堆不發(fā)電，將作為一定規(guī)模的示范設(shè)施，測試和證實KP-FHR技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要素、設(shè)計特點、安全功能和設(shè)備性能。NRC反應(yīng)堆安全咨詢委員會將繼續(xù)支持先進(jìn)堆原型許可路線圖。NRC本部人員的“非輕水堆監(jiān)管審查路線圖”概述了這個路線圖。

Hermes使用核燃料即熔鹽冷卻劑內(nèi)的TRISO燃料球，和Flibe冷卻劑一起，奠定了強(qiáng)大、固有安全的高溫低壓系統(tǒng)。重要的固有安全特性包括：

● TRISO燃料球和Flibe冷卻劑提供功能密封;

● 主回路熱傳輸系統(tǒng)在近大氣壓下運行;

● 負(fù)反應(yīng)性系數(shù)(燃料、慢化劑和冷卻劑溫度);

● 反應(yīng)堆容器和其他安全相關(guān)部件位于單獨的抗震結(jié)構(gòu)內(nèi)。

依照NUREG-1537 (頒發(fā)許可證的格式與內(nèi)容指南，以及NRC本部人員標(biāo)準(zhǔn)審查計劃)對非動力堆提供的指南，NRC本部人員的安全評價(SE)對Kairos公司的PSAR進(jìn)行了逐條審查。此外，《NRC本部人員安全評價》附錄A有個清單，包括需要額外編制的建造許可證附加條件和設(shè)計、分析或管理要素。必須解決這些問題，以支持Hermes的運行許可證(OL)申請。

本文通過總結(jié)以下各點，討論Hermes設(shè)施的整體安全性：(a) 設(shè)計新穎或獨特特征;(b) 設(shè)計的主要安全功能及其實施;(c) 主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、安全分級和縱深防御;(d) 假定事件選擇、后果分析和安全裕度;(e) 運行可靠性;(f) 工作人員的安全;(g) 頒發(fā)運行許可前仍有待完成的技術(shù)開發(fā)活動。

新穎或獨特的方面

赫爾墨斯(Hermes)的設(shè)計有許多新穎或獨特的方面，具體包括：

●第一個應(yīng)用功能密封的核反應(yīng)堆，功能密封定義為一個或一組屏障。在正常運行、預(yù)期運行事件和假想事故下，它們聯(lián)合在一起，限制放射性核素向環(huán)境的輸運和釋放;

●首次應(yīng)用美國機(jī)械工程師學(xué)會(ASME)鍋爐與壓力容器規(guī)范(BPVC)，第III節(jié)，第5部分高溫材料;

●燃料球和石墨反射體浮在Flibe冷卻劑中;

●TRISO燃料顆粒的“球殼”比德國和中國高溫堆中使用的球殼更薄;

●防虹吸裝置用于主熱傳輸系統(tǒng)冷端斷裂情況下，限制冷卻劑流失;

●失去強(qiáng)制循環(huán)，上部靜壓腔內(nèi)的四個流體二極管“激活”自然循環(huán);

●燃料球裝卸系統(tǒng)的設(shè)計，提供燃料和慢化劑球的裝卸、分類和儲存。

相對于使用TRISO燃料、Flibe冷卻劑、球床堆芯和石墨慢化堆，Kairos能夠識別與其設(shè)計相關(guān)的運行經(jīng)驗。

安全功能

Kairos公司確定了三種安全功能：限制放射性核素釋放、控制散熱和控制反應(yīng)性。考慮到提供這些安全功能的系統(tǒng)為非能動設(shè)計，在確定的設(shè)計基礎(chǔ)事件期間不需要電源。這包括場外或任何備用電源的電力。此外，不需要運行人員采取干預(yù)行動，緩解任何設(shè)計基礎(chǔ)事件。

限制放射性核素釋放

Kairos使用“功能密封”概念，限制放射性核素釋放。這種方法從源頭控制放射性核素，使之密封在TRISO涂層內(nèi)的鈾碳氧化物顆粒燃料內(nèi)。在燃料球性能評估中，Kairos假想事故前的TRISO燃料顆粒失效水平，比能源部先進(jìn)氣冷堆TRISO燃料鑒定計劃中觀察到的水平高100倍。Flibe熔鹽也可作為防裂變產(chǎn)物釋放附加的固有屏障，因為它對可能從燃料球中逸出的幾種裂變產(chǎn)物有很強(qiáng)的化學(xué)親和力(惰性氣體除外)。

綜上所述，這兩個固有的堅強(qiáng)阻滯屏障，再加上反應(yīng)堆熱功率低，致使預(yù)期場址邊界處的劑量后果比監(jiān)管選址標(biāo)準(zhǔn)低很多。場址邊界的劑量也低于環(huán)境保護(hù)局(EPA)的保護(hù)行動指南。安全裕度高、功能密封、非能動衰變散熱、流體二極管和反虹吸特性，允許采用獨特的方法對構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件(SSC)進(jìn)行分級。

Kairos選擇性地進(jìn)行了邊界計算，假設(shè)Flibe中產(chǎn)生的所有氚能通過熱交換器滲透并直接釋放到外環(huán)境，估算了該設(shè)施每年的氚釋放量。這些保守、簡化的假設(shè)，證明符合10 CFR第20部分(輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn))的劑量限值。Kairos指出，它的設(shè)施有個氚凈化系統(tǒng)。預(yù)期這個系統(tǒng)能降低設(shè)施內(nèi)空氣中氚的濃度，保護(hù)工人，并能使每年向環(huán)境釋放氚的量遠(yuǎn)低于PSAR中提供的計算值。這就可減輕有些人對這個設(shè)施釋放氚的擔(dān)心。

熱排出控制

衰變熱排出系統(tǒng)(DHRS)是個非能動冷卻系統(tǒng)，有四個獨立的序列，反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量一旦達(dá)到目標(biāo)水平就會啟動。DHRS有足夠的排熱能力，以確保反應(yīng)堆容器的溫度保持在設(shè)計限值以下，而且不會挑戰(zhàn)燃料的完整性。Kairos公司已證明，四個序列中的三個就有足夠的能力排出衰變熱。通過重力供水的水箱提供最終熱阱，熱虹吸套管可去除反應(yīng)堆容器的熱量，并將蒸汽排入廠房外的大氣。燃料球的衰變熱通過Flibe冷卻劑的自然循環(huán)傳到反應(yīng)堆容器壁，然后通過傳導(dǎo)和輻射傳給DHRS。水箱的大小可以提供長達(dá)七天的非能動冷卻，NRC本部人員已用自己的計算證實了水箱的大小。還計劃通過試驗驗證運算結(jié)果。NRC本部人員規(guī)定，必須在運行試驗大綱中檢查某些影響(例如，腐蝕和結(jié)垢，過渡期內(nèi)的流動不穩(wěn)定性，以及運行期間的動態(tài)負(fù)荷)。

反應(yīng)性控制

用兩套不同的控制元件控制Hermes的反應(yīng)性。運行期間，反射層內(nèi)的四個控制元件用于調(diào)整反應(yīng)堆功率;用三個停堆元件插入球床，停止反應(yīng)堆。在假定的事件場景下，三個停堆元件中的兩個，就足以維持足夠的停堆余量。計劃進(jìn)行測試，證明兩個系統(tǒng)都具有足夠的執(zhí)行能力。除了這些系統(tǒng)之外，燃料、慢化劑和冷卻劑都有很強(qiáng)、內(nèi)在的負(fù)溫度系數(shù)，可提供反應(yīng)性控制。

重要的設(shè)計準(zhǔn)則、安全分級和縱深防御

Kairos公司已確定并描述了確保反應(yīng)堆設(shè)施安全、防止放射性失控釋放所需構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件(SSC)的主要設(shè)計準(zhǔn)則。Kairos用于Hermes設(shè)計獲得許可的方法，不用概率論方法確定取得許可的基準(zhǔn)事件、SSC分級和縱深防御評估。相反，對假想事件、單一故障準(zhǔn)則和最大假想事故(MHA)，采用確定論方法評定設(shè)施的安全性和SSC分級。在安全分析報告中只用了兩個SSC分級：“安全相關(guān)”和“非安全相關(guān)”。此外，考慮了一系列“假想事件”(與發(fā)生的頻率無關(guān))，用以核實最大假想事故(MHA)的影響僅限于設(shè)施現(xiàn)場的邊界之內(nèi)。

Hermes設(shè)計的主要安全特性是TRISO燃料和反應(yīng)堆冷卻劑Flibe的獨特組合。其他與安全相關(guān)的SSC，包括反應(yīng)堆容器和內(nèi)部構(gòu)件、反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)、DHRS、燃料球裝卸與儲存系統(tǒng)的乏燃料儲存架，以及反應(yīng)堆建筑結(jié)構(gòu)的安全相關(guān)部分。NRC本部人員認(rèn)為，如上所述的這些系統(tǒng)，符合與其安全分級相稱、適用的條例和標(biāo)準(zhǔn);然而評估運行許可證還需附加的設(shè)計和性能分析。

安全裕度大，可使用獨特的安全分級法。根據(jù)歷史實踐，相對于Hermes重要的安全特性，NRC反應(yīng)堆安全審評委員會對這種方法正確性的評估如下：

雖然反應(yīng)堆容器及其焊縫劃為安全級，但認(rèn)為主回路熱傳輸系統(tǒng)(PHTS)與安全無關(guān)，而且認(rèn)為對任何假想的事件，無需保持安全穩(wěn)定關(guān)閉。這種分級基于成功的設(shè)計，但流體二極管的性能與反虹吸特性還有待證明。反虹吸功能可防止反應(yīng)堆容器內(nèi)冷卻劑存量失去過多，以便在反應(yīng)堆容器外管道破裂的情況下，冷卻劑的液位保持在球床堆芯活性區(qū)以上。流體二極管允許反應(yīng)堆容器內(nèi)保持自然循環(huán)，把球床堆芯的熱量通過反射層傳給反應(yīng)堆容器和DHRS。

此外，Kairos公司建議使用“安全相關(guān)”的替代定義，把“反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的完整性”更改為“用以維持堆芯活性區(qū)上部反應(yīng)堆冷卻劑液位的反應(yīng)堆冷卻劑邊界部分完整性”。在Hermes設(shè)計中，除了反應(yīng)堆容器，并不把反應(yīng)堆冷卻劑邊界計入裂變產(chǎn)物滯留部位。因此，把反應(yīng)堆容器劃歸“安全相關(guān)”，而反應(yīng)堆冷卻劑邊界的其余部分劃歸“非安全相關(guān)”。這個修訂后的定義，適用于PHTS發(fā)生重大斷裂的設(shè)計基礎(chǔ)事件，能應(yīng)對球床堆芯的持續(xù)冷卻和非能動衰變散熱問題。

這種方法可能在整體上削弱“縱深防御”和各種屏障(安全功能)的獨立性。此外，將PHTS管道分為“非安全相關(guān)”，表明該系統(tǒng)可能無法在設(shè)計基準(zhǔn)地震中存活，可能會在噴嘴/管道界面處破裂，從而挑戰(zhàn)反應(yīng)堆容器的完整性。

一方面，對于首個這樣的反應(yīng)堆，PHTS的設(shè)計、分析和建造達(dá)到與反應(yīng)堆容器相同的質(zhì)量水平(ASME BPVC、第三節(jié)、第五部分、設(shè)計和施工以及第十一節(jié)，測試和檢查)，能增強(qiáng)信心，因為(熱或地震誘發(fā)的)大型管道破裂的概率較低。設(shè)整個主冷卻劑壓力邊界為“安全級”是歷史慣例，即使是低壓系統(tǒng)(如鈉冷快堆器)也是如此。

相比之下，從安全分析的角度來看，Hermes的安全分析，對PHTS滯留裂變產(chǎn)物不抱任何希望。而且，由于Flibe與潮濕空氣并不發(fā)生顯著的反應(yīng)，PHTS的管道不需要像鈉冷卻堆那樣，作為防止化學(xué)攻擊的屏障。因此，在這種獨特的情況下，由于熱功率低與功能密封相結(jié)合，對公眾的輻射后果有巨大安全裕度，無需基于額外的“縱深防御”和歷史實踐，提升PHTS的安全等級。對于其他采用功能密封的反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計，情況或許并非如此，每個反應(yīng)堆系統(tǒng)都應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行評估。

假想事件選擇、分析結(jié)果與安全裕度

Hermes事故分析評估了廣泛的假想事件，以建立最大假想事故(MHA)。這些事件的類別包括：(a) 反應(yīng)性插入;(b) 熔鹽溢出;(c) 失去強(qiáng)制循環(huán);(d) 燃料球裝卸與儲存系統(tǒng)故障;(e) 子系統(tǒng)或組件釋放出放射性物質(zhì);(f) 正常運行的普遍性挑戰(zhàn);(g) 內(nèi)部和外部災(zāi)害(分別為火災(zāi)、淹沒、地震、風(fēng)災(zāi)和水災(zāi))。在每個事件類別中，檢查幾個特定事件，以確定事件的邊界場景。

事故分析還檢查了設(shè)計已排除的各種事件及排除的根本原因。考慮的事件包括反應(yīng)堆重返臨界或停堆故障、散熱能力降低、大量Flibe泄漏、在役的故障大于假設(shè)的故障、進(jìn)入大量空氣、DHRS腔室淹沒、插入過多的反應(yīng)性、與堆芯無關(guān)的臨界狀態(tài)、Flibe釋放過多的放射性核素，以及外部或內(nèi)部干擾安全相關(guān)SSC的各種事件。

對包含的每個事件，要用初始條件保守的假設(shè)、安全相關(guān)SSC的響應(yīng)(包括援引的單一失效準(zhǔn)則……)，以及瞬態(tài)特征，評估事故系統(tǒng)的響應(yīng)。從歷史上看，在高溫堆中，保持金屬結(jié)構(gòu)在允許溫度內(nèi)，一直是個問題。Kairos進(jìn)行的瞬態(tài)分析表明，對于堆芯筒體和反應(yīng)堆容器，不銹鋼溫度限值的裕度約為100～150℃。燃料和控制棒材料也遠(yuǎn)低于它們相應(yīng)的溫度限值。

NRC本部人員對事件選擇和分析方法、假設(shè)和結(jié)果進(jìn)行了縝密的審查。在某些情況下，本部人員對同一事件進(jìn)行了范圍計算，以便對Kairos的計算結(jié)果獲得額外的信任。在運行許可(OL)審查、“可燃?xì)怏w的產(chǎn)生與石墨-空氣氧化相關(guān)”完成之前，應(yīng)解決空氣侵入事件。

構(gòu)建的MHA限定了事故的時間-溫度輪廓(曲線)、邊界條件，而放射性核素的源項假設(shè)將導(dǎo)致計算的輻射釋放量，包括每個事件類別中每個事件邊界情景的放射性釋放量。

MHA事件假定了設(shè)想的時間-溫度歷史，其中(a)考慮了與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)的保守的緊急停堆以及與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)的觸發(fā)延遲二者的熱影響;(b)限定反應(yīng)堆內(nèi)的反應(yīng)性事件、過熱事件和過冷事件，以及另外假想的、不大具有挑戰(zhàn)性的堆外事件的初步計算。在源項評估中，考慮了TRISO燃料、石墨結(jié)構(gòu)中的氚和覆蓋氣體活化產(chǎn)生的Ar-41釋放的保守估計值。即使有這些假設(shè)，MHA在場址邊界導(dǎo)致的輻射劑量遠(yuǎn)低于選址準(zhǔn)則，也低于EPA的防護(hù)行動指南。劑量主要來自氚和Ar-41，而不是裂變產(chǎn)物。

用于研究和試驗堆的MHA，不考慮超設(shè)計基準(zhǔn)事件，如預(yù)期的瞬態(tài)沒有停堆(ATWS)和全場斷電。如上所述，全場停電不是問題，因為Hermes執(zhí)行安全功能不需要電力。對于ATWS事件，其后果取決于反應(yīng)性插入的嚴(yán)重程度。然而，Hermes設(shè)計有很強(qiáng)的負(fù)溫度系數(shù)，球床堆芯反應(yīng)性過多有限，能防止燃料損毀。我們已經(jīng)注意到，在其他先進(jìn)堆如EBR-II(金屬燃料鈉冷快堆)、AVR(德國球床高溫氣冷堆)和HTTR(日本高溫氣冷堆)上進(jìn)行的試驗證明，類似的固有安全特性，已為這些技術(shù)的法規(guī)生效提供了獨特的數(shù)據(jù)。

運行可靠性

與氟鹽冷卻高溫堆(FHR)技術(shù)相關(guān)的性能不確定性，多半在Hermes運行期間直接解決。幾個關(guān)鍵領(lǐng)域包括：

● Flibe受照射期間在溫度梯度下的化學(xué)勢(即氧化還原反應(yīng))的控制能力;

● Flibe在允許范圍內(nèi)共晶點附近，防止粘度有害變化的成分控制能力;

● 由于腐蝕，鹽內(nèi)雜質(zhì)對核燃料性能的影響。

此外，F(xiàn)libe內(nèi)存在鈾雜質(zhì)和裂變產(chǎn)物，將產(chǎn)生有害的混合廢物(有害的鈹和放射性物質(zhì))。據(jù)Kairos說，他們已確定了受污染Flibe的處置路徑。

電廠工人安全

Hermes主要工作人員的安全問題，與設(shè)施內(nèi)空氣中氚溶膠的控制能力有關(guān)，因為氚會通過高溫部件滲透出來，而保護(hù)工人在運行、維護(hù)和檢查期間的安全，就要控制熔鹽中鈹?shù)膿]發(fā)性。因此，今后仍有兩個項目有待審議：(a) 是否需要一個系統(tǒng)，控制反應(yīng)堆廠房和堆殼內(nèi)(在維修活動期間)空氣中鈹?shù)臐舛鹊陀趪衣殬I(yè)安全與衛(wèi)生研究所(NIOSH)短期受照限值;(b) 導(dǎo)出的空氣中氣溶膠的濃度(DAC)是否低于允許濃度，從而不需要個人防護(hù)設(shè)備，即可在維修期間保護(hù)工人免受反應(yīng)堆廠房與堆殼內(nèi)空氣中氚和鈹?shù)奈：Α?/p>

技術(shù)開發(fā)

確定了許多正在進(jìn)行的研究和開發(fā)活動，因為有必要確認(rèn)SSC設(shè)計的充分性，以便在建造竣工前解決安全問題。這與確認(rèn)以下諸項有關(guān)：證實燃料球的性能;高溫材料鑒定和監(jiān)控;石墨氧化;計算機(jī)程序代碼生效;流體二極管的研制;源項分析用的熱力學(xué)和蒸氣壓相關(guān)的合理性;反應(yīng)堆關(guān)鍵工藝變量過程傳感器技術(shù)的開發(fā);反應(yīng)堆冷卻劑化學(xué)監(jiān)測儀器的研制。Kairos說，這些活動將在建造完成之前完成。

由于這是支持施工許可證的初步安全分析報告，設(shè)計與相關(guān)分析的許多細(xì)節(jié)留在最終安全分析報告中是合理的。啟動期間計劃的堆內(nèi)試驗以及監(jiān)測和檢查細(xì)節(jié)尚未獲得，分析工具也未得到充分驗證，安全分析的不確定性也沒有得到充分評估。Kairos承認(rèn)這種情況;NRC本部也在他們的審查中指出了這些項目，并在運行許可審查或反應(yīng)堆初始啟動期間跟蹤，直至問題獲得滿意的解決。

總結(jié)

Hermes設(shè)計的關(guān)鍵特性包括反應(yīng)堆熱功率低，使用TRISO燃料和Flibe冷卻劑作為有效的功能密封，以及非能動散熱能力。總體設(shè)計導(dǎo)致的預(yù)期劑量結(jié)果與監(jiān)管選址標(biāo)準(zhǔn)有很大裕度。由于FHR是個首創(chuàng)的技術(shù)，因此在Hermes的運行過程中，性能的不確定性可直接解決。像Hermes這樣規(guī)模的示范設(shè)施對于測試這種技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)元素、設(shè)計特征、安全功能和設(shè)備性能有很大價值。委員會相信，這個設(shè)施可按相關(guān)法規(guī)和《戰(zhàn)略規(guī)劃報告》中概述的設(shè)計基礎(chǔ)進(jìn)行建設(shè)。Hermes的建筑許可證申請應(yīng)獲得批準(zhǔn)。

見解與思考

1. 開發(fā)第四代核能系統(tǒng)，特別是熔鹽堆系統(tǒng)，是提升核能安全、解除社會公眾疑慮、啟動非水冷核電建設(shè)的必由之路。解除社會公眾的疑慮，最根本的強(qiáng)有力手段是技術(shù)選擇和廠址選定準(zhǔn)則，確保核安全與周圍的環(huán)境和居民的健康。在這方面，核能界對第四代六個系統(tǒng)的分析、比較優(yōu)勢的認(rèn)識越來越集中，甚至發(fā)展到海洋和太空。美國選定近期優(yōu)先開發(fā)的七個堆型中，三個屬于熔鹽堆，另外兩個是泰拉能源公司的氟化物熔鹽快堆(MCFR)和陸地能源公司的一體化熔鹽堆(IMSR)[4]。

附圖. 氟鹽冷卻高溫堆(FHR)屬于熔鹽堆(MSR)類，但核燃料是高溫氣冷堆(HTGR)用的石墨球床TRISO顆粒燃料，兼?zhèn)涞谒拇四芟到y(tǒng)全部經(jīng)證實的特征，屬世界首創(chuàng)，是最成熟的先進(jìn)堆型。

2. 彌補(bǔ)、補(bǔ)充可再生能源的間歇性，核能，特別是先進(jìn)核能有獨到的、永久性的優(yōu)勢和適應(yīng)性。任何科學(xué)技術(shù)的生命力，最終是經(jīng)濟(jì)、成本的比較優(yōu)勢。在這方面，熔鹽堆的優(yōu)勢十分明顯。尤其是它不需要制造“固體燃料”，而且可用其他堆型不可避免產(chǎn)生的核廢料作為燃料，使其核燃料實際上“用之不竭”，而且邊際成本為零，類似于可再生能源。

但KP-FHR的乏核燃料是TRISO顆粒燃料石墨球，還沒有確定是否進(jìn)行“后處理”和“再循環(huán)”，其經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)暫時優(yōu)于天然氣發(fā)電成本。KP-FHR技術(shù)一旦成功示范，單堆的額定輸出功率范圍可擴(kuò)大到GWe級，規(guī)模經(jīng)濟(jì)成本顯著優(yōu)于正在運行的現(xiàn)代輕水堆。

3. 在核能開發(fā)方面，美國的積累最多，經(jīng)驗教訓(xùn)最為深厚，也走在世界各國的前列。我國核能界還比較清醒，繼續(xù)保持謙虛謹(jǐn)慎，不妄自尊大，如此才能看得更遠(yuǎn)，少走彎路。

4. 進(jìn)行“開創(chuàng)性”堆型研發(fā)特別難，氟鹽冷卻高溫堆(FHR)和釷熔鹽堆(TMSR)都屬此類。盡管前面已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究和實驗，但在結(jié)構(gòu)和材料方面有任何“開創(chuàng)性”，示范和商用部署前都必須進(jìn)行驗證，因為“魔鬼在細(xì)節(jié)”中。對此，美國能源部科學(xué)辦公室對規(guī)劃中項目的處理具有代表性[5]。

5. 2023年7月，Kairos能源公司又向NRC提交在同一現(xiàn)場建造Hermes 2 示范電廠申請[6]。據(jù)ANS網(wǎng)站8月18日報道，NRC已完成Hermes的環(huán)境審查，并明確“Hermes 2 Plant”由兩個35 MWt反應(yīng)堆組成，每個反應(yīng)堆的大小與最初的測試反應(yīng)堆相同，并共用一個發(fā)電系統(tǒng)。“Hermes 2 Plant”將生產(chǎn)和銷售電力[7]。

橡樹嶺科技園區(qū)KP-FHR實驗核電廠(裝機(jī)容量70 MWt/30.625 MWe)概貌

參考資料與注釋

[1] WNN, US regulators conclude Hermes safety review, 16 June 2023.

[2] Sonal Patel, NRC Completes Safety Review for Kairos Nuclear Test Reactor Within 18 Months, POWER, Jun 22, 2023.

[3] ML23130A183; U.S. NRC ADVISORY COMMITTEE ON REACTOR SAFEGUARDS, May 16, 2023.

[4] WNN, Kairos submits PSAR for Oak Ridge demonstration reactor, 05 October 2021.

[5] Tobias Mann, DOE digs up molten salt nuclear reactor tech, taps Los Alamos to lead the way back, 11 Aug 2022.

[6] ANS, Kairos applies for permit to build two-unit Hermes plant, Nuclear News, July 26, 2023.

[7] WNN, NRC completes Hermes environmental review, 18 August 2023.