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?比爾蓋茨的新操作:快中子反應堆+電網級儲能

2022-07-24 21:43  來源:嘿嘿能源heypower    快中子反應堆  電網級儲能  輕水反應堆  美國核電

當前(qian)正在(zai)(zai)建造的新裂變反應(ying)堆(dui)絕大多數(shu)都是(shi)輕水反應(ying)堆(dui)(LWR),LWR利(li)用水將中子慢化成(cheng)熱中子,同時水也會(hui)吸收中子。雖然(ran)LWR從20世紀50年(nian)代(dai)以來一直(zhi)在(zai)(zai)商(shang)業(ye)應(ying)用,但(dan)實際上它(ta)們還(huan)是(shi)只能使用鈾(U-235)燃料。而這個方面正反襯出快中子反應(ying)堆(dui)極具吸引力。


當前正在建造的新裂變反應堆絕大多數都是輕水反應堆(LWR),LWR利用水將中子慢化成熱中子,同時水也會吸收中子。雖然LWR從20世紀50年代以來一直在商業應用,但實際上它們還是只能使用鈾(U-235)燃料。而這個方面正反襯出快中子反應堆極具吸引力。
 
快中子反應堆也可以使其他裂變元素產生裂變,覆蓋了中子截面的全譜。泰拉能源(TerraPower)提出的鈉冷反應堆Natrium就是這類快堆的一種,而且它是世界上第一個不僅針對商業用途,同時還通過自帶的熔鹽罐實現電網級儲能的快中子反應堆。
 
這么做的好處是,Natrium堆不僅可以采用美國和其他地方LWR產生的乏燃料作為燃料,而且在負荷跟蹤時效率更高,而這正是傳統熱中子反應堆的弱點。
 
目前,TerraPower和合作伙伴正在尋求以懷俄明州一個退役后的燃煤電廠作為廠址,建造一個示范電廠。反應堆功率345MWe(峰值500MWe)。
 
理想很美好——Natrium為何讓人興奮
 
Natrium可以利用的燃料不局限于U-235。這是反應堆內中子特性所致。再啰嗦一句,目前商業所用的裂變反應堆,一般使用水作為裂變鏈反應所產中子的慢化劑,會有效地減緩了中子速度。藉此,對于慢化導致的熱中子(或者說“慢”中子),U-235和其他一些元素(例如Pu)的中子截面更大,但大多數超鈾元素和錒系元素。
 
隨著時間的推移,這些超鈾和錒系元素的積累“污染”了LWR里的燃料,使中子鏈式反應的效率遠低于“新”燃料棒。此后,LWR就需要換料(通常以2年為周期),而乏燃料組件就要進行儲存或再處理。對于后處理,通過化學工藝可以去除問題同位素,但同時大量U-235仍然遺留在這些燃料棒中。
 
堆如其名,Natrium采用鈉作為冷卻劑(而不是水),可以利用快中子,也可以利用熱中子。因此,燃料中任何可裂變同位素都可以發生鏈式反應,從而使反應持續進行,直到燃料中沒有可裂變元素。這其中就包括鈾燃料中占很大比例的U-238。
 
正因如此,Natrium可以利用全國各地LWR核電廠內冷卻池中儲存的乏燃料,并且只產生少量的短壽期廢物。這代表了美國對EBR-II和FFTF等實驗堆進行數十年研究的頂峰,也與俄羅斯的BN系列快中子反應堆存在很大相似性。為了給鈉冷反應堆提供高濃度低富集度鈾(HALEU)燃料,TerraPower已經與Centrus建立了合作關系。
 
除了這些反應堆設計,Natrium還增設了熔鹽方式的廠內儲能,從而能夠將反應堆的電力輸出從345MWe提高到500MWe,并維持約5.5小時。這使靈活覆蓋需求峰值成為可能。
 
現實很骨感——還有很長的路要走
 
任何人或機構,如果想被允許在美國建造或運營核電站,在此之前必須通過核管理委員會(NRC)的審查認證。NRC將構建專家組,對申請人提供的設計方案進行分析、評估并提出修改意見,直到他們有確信所有法規都得到遵守、申請人答復了所有相關問題為止。我之前詳細介紹了這個過程。
 
對于TerraPower的Natrium,這個認證過程可以從其公共頁面進行跟進。從頁面內容可知,Natrium正處于預申請階段。一旦申請最終完成并提交,安全評估報告(SER)的第一階段就可以開始了,然后再經過另外幾個階段,然后形成最終的SER(即FSER),FSER將用于規則制定,而且此時,在美國新建Natrium就是許可之內了。
 
即使有了這一批準,建造每一個獨立的Natrium型反應堆仍需要獲得核管會NRC的批準,這會涉及更多的安全報告。為了可以啟動和商運反應堆,還將涉及更多的安全審查和報告。TerraPower聲稱,到20世紀20年代末,他們設計的Natrium將為商業用途做好準備,根據前邊的分析,這個說法似乎可信。
 
競爭很激烈——搞快堆的都有誰
 
毫無疑問的時,TerraPower并不是唯一一家意圖將快中子反應堆商業化的公司。在俄羅斯,俄羅斯國家原子能公司Rosatom和核燃料制造商TVEL展開合作,已經宣布開始建設BREST-OD-300鉛冷反應堆。和Natrium的設計類似,這也是一個第四代快中子反應堆,但它使用鉛(而不是鈉)當作冷卻劑,在傳熱能力方面是有益的,因為鉛的熔點比鈉更高。
 
BREST-OD-300的設計,考慮了現場燃料處理能力,從而在核電廠內實現鈾燃料的閉式循環。除了這種反應堆,Rosatom還希望建造一定數量的鈉冷BN-1200快中子反應堆,該堆型建立在70年代以來對BN-350、BN-600、BN-800反應堆的研究基礎上。到目前為止,俄羅斯已經將2個BN-1200列入計劃。
 
中國從2017年起開始建設CFR-600。像俄羅斯一樣,運行快中子反應堆是計劃要與LWR實現互補。
 
與此同時,印度的PFBR計劃在2021年啟動,屆時,作為印度釷燃料循環的一部分,它將主要用于從釷增殖轉化生產U-233。
 
顯而易見的是,人們需要商業快中子反應堆,而TerraPower的Natrium型反應堆可能是美國成為這個市場一部分的最佳選擇。
 
加分項——電網級儲能有特色
 
TerraPower的Natrium型反應堆與競爭對手的不同之處在于,它沒有聚焦于熱中子反應堆核電廠扮演的傳統角色,即獲得盡可能多的蒸汽或盡可能提高渦輪機發電。相反,熱量被冷卻劑(鈉)從反應堆堆芯導出后,儲存在多個大型隔熱罐中。這個工作原理類似于集中式太陽能(CSP)的保溫裝置。
 
儲存的熱能可以根據需要用于驅動發電機、為建筑提供熱源等。通過把產生熱能和使用熱能發電的過程進行解構和其他措施,Natrium核電站可以根據電網需求動態調整電力輸出。因此,TerraPower宣傳Natrium是高比例可再生能源(VRE)(如太陽能和風能)電網的最佳搭檔。
 
目前,高比例可再生能源的電網依賴于簡單循環燃燒渦輪(SCCT),沒有設置余熱回收。雖然比聯合循環渦輪機(CCGT)升降功率速度快得多,然而,CCGT電廠熱效率超過60%,相比之下SCCT電廠一般僅略微超過30%,怠速時效率更差,比如當它們為了能夠滿足需求激增而待機時。
 
更寬廣的設想
 
當前,全世界都認識到,越早擺脫化石燃料越好。然而,現在絕大多數日常能源消耗,包括運輸(即使是電動汽車)或其他類似的方面,仍然來自化石來源。在美國,例如加州,通過200多家天然氣發電廠,包括SCCT和CCGT電廠,天然氣構成了電力能源來源的大部分。
 
隨著可再生能源的快速增長,提供電網級存儲和調峰電廠非常重要,這樣才可以快速響應電力需求的自然波動以及這些可再生能源的產出變化。在這個領域,像TerraPower的Natrium這樣設計可能很有意義,特別是考慮到它消除了經常用以反對新建核能的的“核廢料”方面的爭論。
 
不管美國的情況如何,很明顯,還有許多國家都準備擁抱快中子反應堆,盡早實現商業用途。然而,TerraPower提出的核電廠與儲能相結合的概念還有待觀察。為了靈活運行,熱效率有所降低,從長遠來看是否值得還不確定,也許采用電池儲能與傳統的熱中子核電廠可能更好地滿足要求。



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