去年秋天，英國熔鹽核技術開發商Moltex Energy成立子公司Moltex FLEX，以開發其FLEX反應堆——這是該公司SSR設計的最新應用。
1、FLEX反應堆
藝術家展示了一個典型的FLEX反應堆陣列——右邊32棟建筑。在左邊，可以看到渦輪機島旁邊的藍色GridReseve儲罐(由MoltexFLEX提供)。
FLEX反應堆是Moltex Energy公司全球專利權穩定鹽反應堆(SSR)技術的熱譜版本，使用石墨作為慢化劑。
該技術與Moltex FLEX的姊妹公司Moltex Energy Canada共享，公司正在開發快速譜版本(SSR-W)和WAste-To-Stable Salt(WATSS)工藝，該工藝將用回收的乏燃料生產反應堆燃料。
Moltex的SSR電廠想象圖(圖源: Moltex)
與所有其他熔鹽反應堆相比，SSR的根本獨特之處在于，它們將放射性燃料鹽限制在類似于傳統反應堆中燃料組件的管道中。其后，一種單獨的非放射性熔鹽將熱量從反應堆堆芯轉移到熱交換器。
在其他熔鹽堆中，燃料也是冷卻劑，復雜的燃料鹽循環系統——泵、過濾器、調節裝置和熱交換器——暴露在放射性燃料鹽中。
這對這些部件提出了嚴峻的要求，并使維護變得具有挑戰性，而這些工程挑戰可以說是這些反應堆目前未被商業使用的關鍵原因。
2、一個簡單的解決方案
該示意圖顯示了FLEX反應堆設計的簡單性——將放射性燃料鹽保留在管道中，簡化了腐蝕控制挑戰，并且反應堆島中的自然對流取代了泵送流(圖源：MoltexFLEX)
FLEX反應堆是該公司早期熱譜設計SSR-U的演變。Moltex FLEX于2022年9月在英國推出，旨在全球推廣FLEX設計并開發SSR技術。
FLEX反應堆的設計考慮到了簡單性，體積小，模塊化，允許大多數部件在工廠生產，實現了可運輸性，減少了現場工作，加快了施工速度，所有這些都將總成本降至最低。
它是一種低壓設計，使用自然對流進行所有熱傳遞——這消除了對泵或任何其他移動部件以及昂貴高壓安全殼結構的需求。
只要可能，FLEX反應堆將使用核工業中已經證明的材料和技術，通過消除對廣泛研究計劃的需求，使安全和設計驗證更快、更容易。
MoltexFLEX的主要目標是將FLEX反應堆快速推向市場，在全球范圍內快速部署核能大軍。
這就是選擇低濃縮鈾作為燃料原料的原因之一——這種材料現在已經可用，并且在沒有制定新的保障協議的情況下，被世界各地普遍接受。
該公司的目標是在本世紀末生產出第一家同類工廠。
FLEX反應堆本質上是被動安全的。設計核心理念是通過技術的基本特征以及管理剩余風險的被動措施，來減少或消除危險。
該剖面圖顯示了FLEX反應堆背后的設計理念——保持工程盡可能簡單(圖源：MoltexFLEX)
依賴于固有的安全特征，如將揮發性裂變產物作為鹽容納在燃料鹽中，以及被動控制系統，如熔融鹽隨溫度的膨脹和收縮，以從堆芯插入或取出中子毒物，從而控制反應堆。
與其他反應堆技術相比，這種方法提供了相當大的優勢，這些技術在很大程度上依賴于具有復雜備份系統的主動安全系統來確保運行的可靠性。
FLEX反應堆的開發，是為了用與燃燒化石燃料相當的成本獲取能源。
此外，隨著超臨界二氧化碳渦輪機等技術的成熟，其750℃高溫輸出為更高效的能源轉換提供了潛力。
考慮到深度脫碳所涉及的巨大挑戰，經濟高效地生產高溫熱的能力將與生產低成本電力一樣重要。
3、補充可再生能源
FLEX反應堆的輸出溫度，使熱能可以在熔鹽GridReserve®系統中高效儲存數小時或數天。
當需求超過供應時，可以釋放這種能源，使FLEX和GridReserve®系統能夠通過快速響應需求變化和提供可調度的發電來解決產量下降的問題，從而補充間歇性可再生能源。
由于技術和經濟原因，常規核電站無法提供這種靈活性。
FLEX反應堆的輸出熱量可直接用于并網和離網發電或下游應用，包括：
用于區域供暖或工業過程的直接熱量(歐洲工業中多達三分之二的熱量使用低于700℃);
高溫電解生產清潔氫氣(FLEX反應堆還可以支持更有效的氫氣熱化學生產);
作為海水淡化廠的電源。
此外，FLEX反應堆可以重新配置用于海洋應用，主要用于船舶推進。
FLEX反應堆輸出40 MWt，相當于16 MWe;熱量的生產成本為10英鎊/ MWh(12.4美元/ MWh)，而電力的生產成本約為30英鎊/ MWh(37.3美元/ MWh)。
每個反應堆的占地面積與典型的三居室房屋相似，可以單獨部署，也可以以任何數量的陣列部署，以提供千兆瓦級別的能量。
例如，32個單元的陣列可以與GridReserve®儲熱設施結合部署，以在8小時的峰值需求下提供1.5 GWe。
熱輸出通過熔鹽熱交換器傳遞到位于核島外的GridReserve®儲罐。然后，這些儲存的熱量可以用于產生過熱蒸汽，以驅動傳統化石燃料工廠中使用的傳統渦輪機。
這種配置基本沒有問題，因為與傳統的反應堆設計相比，FLEX反應堆的安全性完全獨立于由儲熱和發電廠提供的散熱器。
4、反應堆內部
燃料——一種低濃縮氟化鈾——和一次冷卻劑都由熔鹽組成，通過鹽的化學成分控制腐蝕，防止氧化和浸出。
燃料鹽包含在鋼管中，每個鋼管放置在石墨基質慢化劑中的單獨通道中，形成反應堆堆芯。
堆芯位于反應堆容器內，容器內裝有一次冷卻劑。該容器被放置在地下的混凝土坑中，并用混凝土護罩覆蓋。對流使熔化的燃料鹽在燃料管內循環，熱量通過管壁傳遞到周圍的冷卻劑。
在正常運行期間，燃料的熱量通過反應堆水箱內一次冷卻劑鹽的自然對流從堆芯中排出。
殘余衰變熱通過儲罐周圍空氣的自然循環不斷去除。這些被動機構確保不需要主動系統或泵來進行排熱或關閉。
5、最新開發工作
熔鹽提純廠(圖源：Kairos Power)
Moltex FLEX的內部開發團隊在過去一年中取得了長足的進步。
例如，該公司最近與科學儀器制造商Anton Paar合作，在柴郡沃靈頓的MoltexFLEX實驗室的氣候控制惰性氣體手套箱內安裝了一臺流變儀，這是英國獨有的裝置。
該裝置能夠在高達1000℃的溫度下測量熔鹽的粘度和密度，流變儀現在正在生成關于FLEX反應堆的擬議燃料和冷卻劑鹽的行為數據，這些材料特性迄今為止很少探索。
此外，Moltex FLEX正在與外部合作伙伴合作進行研究。
作為工業合作計劃的一部分，得益于亨利·羅伊斯研究所的資助，該公司目前正在與曼徹斯特大學核石墨研究小組的科學家合作，以表征熔融鹽如何與標準工業級石墨相互作用。
使用具有高耐熱性和耐化學性的工業級合成石墨將為FLEX反應堆節省大量成本。
最后，MoltexFLEX演示了擬用于反應堆容器和燃料管的合金的腐蝕控制。
熔鹽對金屬的腐蝕是工業中長期存在的問題。通過將少量鋁溶解在冷卻液鹽中來防止這種現象的發生，在氧化劑侵蝕金屬之前，鋁會清除任何氧化劑。
FLEX反應堆使用獲得專利的氟化鋁和氟化鈉的低共熔混合物作為主要冷卻劑。
類似的鹽混合物在鋁冶煉行業已經使用了幾十年，這些物質很難與石墨慢化劑的相互作用。
燃料鹽化學是通過鈾氧化態的組合進行氧化還原穩定的，在與氟化鈉稀釋劑的低共熔混合物中充當氧化還原緩沖液。
該緩沖液能夠維持氧化還原電位，并中和反應堆整個壽命內產生的潛在腐蝕性裂變產物。
含有氟化物鹽的合金樣品管已在MoltexFLEX實驗室中加熱至高達900℃的FLEX反應堆操作溫度，并在該水平下保持數月，最后發現，幾乎沒有腐蝕跡象——即使在掃描電子顯微鏡下檢查，也為微米級。
6、展望未來
MoltexFLEX正在擴大規模，以鞏固公司在過去一年中取得的進展，預計在未來兩年內，其團隊規模將成倍增加，內外部員工達到數百名。
目前正在與私人投資者進行富有成效的討論，為下一階段的發展提供資金。
盡管該公司相信，在未來6-7年內，僅通過私人融資就可以實現首個同類FLEX反應堆，但它正熱切期待著英國核能公司的成立，并有機會與他們合作，在能源組合中建立FLEX等先進核技術地位。
與此同時，該公司因其突破性的技術越來越受到認可——例如，作為英國商業和貿易部實施的“明日綠色建設者”計劃的一部分，該公司在4月份被評為冠軍。
作為這一舉措的一部分，Moltex將與其他五家公司一起前往阿聯酋會見潛在投資者。
總之，MoltexFLEX認為，其SSR技術，尤其是FLEX反應堆，將在未來的能源發展中做出巨大貢獻——不僅有助于到2050年實現凈零排放，而且有助于為發展中國家帶來豐富、清潔和低成本的能源，并恢復英國作為核創新者的領先地位。
正是這一愿景，推動著MoltexFLEX團隊每天朝著實現FLEX反應堆愿景的方向努力。
