高效率是雙流體(Dual Fluid)開發(fā)新核能技術(shù)的最大優(yōu)勢。

1、雙流體公司

核燃料棒(圖源：網(wǎng)絡(luò))

雙流體反應(yīng)堆包含兩種循環(huán)流體：一種攜帶燃料，另一種提取熱量。均可以代替燃料棒。

雙流體公司也是一家初創(chuàng)公司，該公司表示，這一概念“完全重新定義了核能”。

雙流體原理使核燃料的利用“比當(dāng)今的輕水反應(yīng)堆(LWR)高出一百倍”，而“1000℃的工作溫度使新的熱應(yīng)用成為可能”。

雙流體最初是一家德國核技術(shù)初創(chuàng)公司。2021年，在溫哥華成立為一家上市公司，以更好地受益于加拿大對SMR開發(fā)的有利政策。

“加拿大政府將SMR推廣為未來的技術(shù)，”雙流體公司說，“而大多數(shù)人將核能視為一種機(jī)會。”

此外，“該國在核技術(shù)方面經(jīng)驗豐富，與德國不同，專業(yè)知識積累豐厚”，并且“重要的是，有一個國際公認(rèn)的核許可機(jī)構(gòu)。”

2、LWR：一種不充分的技術(shù)

雙流體公司認(rèn)為，全世界普遍使用的輕水反應(yīng)堆(LWR)效率低下，因為它們只能將生產(chǎn)天然鈾的約1%轉(zhuǎn)化為電能。

此外，核燃料在低溫下燃燒，這使得不可能出現(xiàn)“有趣的化學(xué)應(yīng)用”。

這種不足的技術(shù)，是如何戰(zhàn)勝上世紀(jì)中葉存在的更有前途的設(shè)計?

雙流體認(rèn)為，答案在于其軍事優(yōu)勢：帶有燃料棒的反應(yīng)堆非常適合為潛艇提供動力，而且它以簡單的方式為核武器提供钚。

其他被認(rèn)為更適合民用的概念也被放棄了。幾十年來，我們?nèi)栽谑褂猛瑯拥腖WR技術(shù)，這一事實可歸因于燃料的巨大能量密度：核燃料提供了如此多的能量，即使是效率低下的核電站也能盈利。

在早期沒有商業(yè)化開發(fā)的設(shè)計中，有兩種設(shè)計非常突出：一種是液體燃料;一個是液態(tài)鉛冷卻。

20世紀(jì)60年代，美國成功地運(yùn)行了一個使用液體燃料的實驗反應(yīng)堆(熔鹽反應(yīng)堆)，該反應(yīng)堆能夠更好地利用燃料。

然而，由于燃料鹽也傳遞熱量，功率密度因此受到限制，這兩個功能也難以協(xié)調(diào)。

20世紀(jì)70年代，俄羅斯為其潛艇艦隊建造了一座高性能液態(tài)鉛冷卻反應(yīng)堆。但這些反應(yīng)堆使用燃料棒，使得燃料供應(yīng)和回收變得困難。

雙流體概念是一種快堆，旨在以全新的設(shè)計將熔鹽反應(yīng)堆與鉛冷卻反應(yīng)堆的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。

在該種設(shè)計中，關(guān)鍵創(chuàng)新之處在于堆芯中使用兩種液體。液體燃料可以在大約1000℃(與典型輕水堆的320℃相比)下發(fā)揮其全功率，這其中，液體鉛處理熱傳遞。

3、高功率密度

雙流體公司表示，這一原理在核技術(shù)中是全新的，最大的優(yōu)點(diǎn)是高功率密度(由于系統(tǒng)的緊湊性和高工作溫度)。

燃料可以按照最佳燃耗率所需的速度緩慢循環(huán)，而冷卻劑可以按照最佳排熱所需的時間快速循環(huán)。

因此，可以使用未稀釋的液體燃料——金屬錒系元素混合物，從而顯著增加反應(yīng)堆堆芯中裂變材料的數(shù)量。

堆芯的緊湊性，減少了所需結(jié)構(gòu)材料(昂貴、耐高溫和耐腐蝕的材料)的數(shù)量。使用熔融鉛作為冷卻劑，可以在不減慢反應(yīng)堆堆芯中子速度的情況下散熱。

高功率密度與高效率相輔相成：額定功率為300 MWe的小型雙流體堆芯的效率，是當(dāng)前LWR的8至10倍。隨著堆芯的增大，功率密度和效率進(jìn)一步提高。

由于雙流體，作為快堆，在高中子過剩的情況下運(yùn)行，該反應(yīng)堆——與雙流體回收裝置結(jié)合——可以充分利用任何裂變材料，包括釷、天然鈾和現(xiàn)有反應(yīng)堆的核廢料。

4、重新定義核能

圖1：300MWe 雙流體發(fā)電廠(DF300)

雙流體公司認(rèn)為，燃料和冷卻劑單獨(dú)循環(huán)的原則“完全重新定義了核能”。

與雙流體循環(huán)裝置相結(jié)合，所有裝載的燃料都得到了有效利用，無需最終儲存。

雙流體原理的應(yīng)用不限于SMR，但該概念的首次實現(xiàn)，預(yù)計將是一個小型模塊化反應(yīng)堆，額定功率約為300 MWe，即DF300(圖1)。

在DF300模塊化發(fā)電廠中，燃料在密封筒中輸送至發(fā)電廠。

在發(fā)電廠被加熱并以液體形式泵入反應(yīng)堆堆芯，釋放熱量約25年。然后，乏燃料返回到筒中，并運(yùn)輸以進(jìn)行再循環(huán)。

較大的堆芯，如DF1500電廠中的1500 MWe/3000 MWh，具有較高的燃料吞吐量，可直接與雙流體循環(huán)系統(tǒng)組合。這使得能夠在現(xiàn)場進(jìn)行永久性燃料處理。

雙流體循環(huán)工藝與基于PUREX濕化學(xué)的“常規(guī)”燃料后處理有根本區(qū)別。

在雙流體循環(huán)裝置中，乏燃料首先轉(zhuǎn)化為液態(tài)鹽形式，然后使用已經(jīng)在核工業(yè)之外建立的蒸餾工藝分離為其組分。所有可裂變材料與新燃料混合并返回反應(yīng)堆堆芯。

雙流體公司表示，這種基于熱化學(xué)蒸餾的回收方法，能夠完全利用任何可裂變材料，首次實現(xiàn)核燃料鏈的真正循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

除發(fā)電外，DF1500發(fā)電廠產(chǎn)生3000 MWth的熱量，特別適合于能源密集型熱應(yīng)用，如生產(chǎn)氫氣和合成燃料。

今天的“綠色”制氫涉及高能量損失，而強(qiáng)大的核熱源為高溫蒸汽電解(HTE)提供了可能性，高溫蒸汽電解比目前的工藝效率更高。

據(jù)雙流體公司估計，通過高溫?zé)峤粨Q器生產(chǎn)氫氣，可能會使風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)綠色氫氣的成本降低很多倍，并與甲烷蒸汽重整相比具有成本競爭力。

5、能源投資回報

發(fā)電廠的能源投資回報率(EROI)，是在整個生命周期(包括施工、運(yùn)行、燃料、退役)內(nèi)獲得的能源與消耗的能源總量之比：

EROI=E out{over｝E in

化石燃料發(fā)電廠實現(xiàn)了約30%的能源回報。太陽能和風(fēng)能，包括儲能，基本實現(xiàn)了個位數(shù)。

雙流體公司認(rèn)為，雖然30%的能源回報率使工業(yè)革命成為可能，并且仍然足以為今天的工業(yè)國家提供能源，但回到效率較低的技術(shù)，可能意味著倒退一步：能源將變得更加稀缺和日益昂貴，有可能導(dǎo)致生活水平下降。

雙流體公司認(rèn)為，現(xiàn)代、人與自然友好型社會，必須致力于以較少的資金和較小的生態(tài)足跡提供大量可靠的能源，并且“高能量密度燃料可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。”

今天的輕水反應(yīng)堆的能量回收率約為100，這意味著它們比化石燃料發(fā)電廠的效率高出三倍。

但雙流體公司指出，聽起來不錯的事實，顯示表現(xiàn)卻不佳——因為核裂變釋放的能量不是化石燃燒過程的三倍，而是數(shù)百萬倍。

為什么今天的核能應(yīng)用程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其實際潛力?

圖2：與典型LWR相關(guān)的生命周期能耗，以及當(dāng)今低效的燃料循環(huán)(來源：Vattenfall EPD Forsmark)

查看典型LWR(圖2)所涉及的能源支出表明，80%的能源支出來自燃料的供應(yīng)和處置——即鈾的開采和精煉，以及燃料元件的生產(chǎn)、回收和處置。

這是很高的，因為今天的反應(yīng)堆只能將一小部分開采的鈾(約1%)轉(zhuǎn)化為有用的能源。其余大部分與裂變產(chǎn)物混合，必須作為核廢料處理。

因此，使用今天的LWR發(fā)電不是一個高產(chǎn)或有利可圖的系統(tǒng)。

高投資成本和監(jiān)管要求完全抵消了火力發(fā)電廠的能源優(yōu)勢。雙流體公司認(rèn)為，總的來說，核裂變的潛力仍然沒有得到充分利用。

新一代反應(yīng)堆(“四代”)可以實現(xiàn)效率的逐步提高，但不是根本性的提高。這是因為，要么保留了燃料棒的概念，要么是基于舊的熔鹽反應(yīng)堆設(shè)計。

在后者中，相同的液體既攜帶燃料又提供熱量，導(dǎo)致兩種功能的次優(yōu)結(jié)果。

Moltex Energy的設(shè)計是一個例外。它選擇固體燃料棒中包含的液體燃料。

圖3：雙流體300MWe 模塊化發(fā)電廠(DF300)與輕水堆的生命周期能耗(基于Vattenfall 和雙流體計算的估計)

如圖3中藍(lán)色區(qū)域所示，雙流體反應(yīng)堆設(shè)計——其開發(fā)人員稱之為“五代”——采用濃縮液體燃料和鉛冷卻，再加上燃料循環(huán)，將與燃料相關(guān)的能源消耗減少到一個小部分。

如前所述，系統(tǒng)的相對緊湊性將進(jìn)一步提高效率，由于高功率密度(如圖3中的綠色區(qū)域所示)。

總體而言，DF300發(fā)電廠的能源消耗降至典型LWR的十分之一，這必然降低了成本。

圖4：與其他動力源相比，雙流體的估計能量投資回報率(EROI)

事實上，根據(jù)反應(yīng)堆的大小，DF300的能量回報增加到800-1000，DF1500的能量回報大約為2000。圖4比較了雙流體與其他動力源的投資能量回報。

6、重大問題

分離雙流體反應(yīng)堆的兩種流體材料，必須具有足夠的導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，無論是對于鉛還是對于燃料，燃料也是熔融液態(tài)金屬。

與熱反應(yīng)堆中的條件相比，結(jié)構(gòu)壁的材料選擇非常廣泛，主要是因為快中子的中子俘獲截面較低。

原則上適用的材料實際上已經(jīng)存在了幾十年，但它們含有更稀有和更昂貴的化學(xué)元素。

這對于常規(guī)反應(yīng)堆技術(shù)和現(xiàn)代熔鹽概念來說可能是一個問題，因為它們由于相對低的功率密度而需要大量的結(jié)構(gòu)材料。

該公司表示，這不適用于雙流體，可以使用整個現(xiàn)代工業(yè)材料，并指出，即使是貴金屬也可以用作合金的組成部分，對系統(tǒng)的整體成本影響很小。

這種材料的實例有，耐火金屬的合金或高度耐腐蝕的陶瓷，例如硅、鈦或碳化鋯，近幾十年來，在工業(yè)中越來越多地用于極端條件下的應(yīng)用。

此外，還可以使用氧化釔等物質(zhì)進(jìn)行涂層，氧化釔可耐受高達(dá)1500°C的純鈾。

雙流體公司表示，由于反應(yīng)堆堆芯的溫度明顯低于此溫度，而且燃料不是純鈾而是鈾-鉻混合物，因此確定最合適的材料是一項“可解決的開發(fā)任務(wù)”。

7、安全特征

圖5：保險絲插頭示

雙流體設(shè)計最重要的安全特性是反應(yīng)堆的瞬時自調(diào)節(jié)，這是由極負(fù)溫度系數(shù)實現(xiàn)的。

如果溫度升高，核燃料就會膨脹。結(jié)果，反應(yīng)性立即下降，溫度下降。因此，反應(yīng)堆是完全自調(diào)節(jié)的;像切爾諾貝利事故那樣的電力偏移很難再發(fā)生了。

如果系統(tǒng)仍升溫到正常工作溫度以上——“可能僅因燃料成分不正確”——熔化的保險絲塞提供額外保護(hù)。

保險絲插頭(如圖5所示)是燃油管路最低點(diǎn)附近的主動冷卻部分。

燃料在那里從外部主動冷卻，從而局部凍結(jié)并關(guān)閉下游出口。

如果燃料過熱，凍結(jié)的燃料塞熔化，液體在重力作用下向下排入亞臨界油箱。

連鎖反應(yīng)立即停止，衰變熱被完全被動地去除，排除了衰變熱未被去除發(fā)生事故(如福島核事故)的可能。

雙流體公司觀察到，這種簡單的控制系統(tǒng)概念很難失誤，并已在20世紀(jì)60年代的美國熔鹽反應(yīng)堆實驗中證明了其價值。

為了有效防止劇烈沖擊和地震，核電站的核部分將位于地下厚壁掩體中。

即使在最壞的事故情況下——與燃料回路相關(guān)的泄漏——也不會有放射性物質(zhì)泄漏到外部，因為沒有明顯的壓力，也不會發(fā)生爆炸。

8、批量生產(chǎn)路線

圖6：批量生產(chǎn)的可能時間表(*技術(shù)準(zhǔn)備水平;**預(yù)測)

經(jīng)過大約10年的基礎(chǔ)工作(主要在柏林的固態(tài)核物理研究所進(jìn)行)，雙流體技術(shù)預(yù)計將達(dá)到TRL3。商業(yè)部署的下一步是組件測試，如圖6所示。

學(xué)術(shù)合作伙伴正在對該系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，作為許可的基礎(chǔ)，種子資金融資已于2021成功完成。

如果一切按計劃進(jìn)行，我們希望在十年內(nèi)生產(chǎn)出一個工作原型堆，并在此后不久開始批量生產(chǎn)。

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