熔盐反应堆:能源承诺背后的军事应用

商业核能部门在军工联合体的大力帮助下发展起来。国防科研开发经费已直接应用于电力工业。金莎线上开户为了使熔盐反应器的设计成功,政治支持和军事资金可能再次是必要的。

能源部门的观察人士可能已经注意到世界范围内对小型模块化熔融盐反应器(MSR)概念的兴趣日益增长。.北美公司,如地球能源,南方公司,和悍妇正在努力使设计工业化(图1),而上海应用物理研究所最近从中央政府获得了33亿美元在戈壁沙漠建造MSR综合体。

1。MCFR。南方公司正在与TerraPower合作开发一种熔融氯化物快速反应堆(MCFR),它使用液态盐作为冷却剂和燃料。美国能源部已经投资了2800多万美元用于该项目的成本分担基金,以进一步确定和测试反应堆中使用的材料。资料来源:美国。能源部

海军推进:核能的摇篮

在20世纪50年代,由于压水堆(PWR)的发展,美国海军获得了军事上的圣杯:无限的海上忍耐力。它彻底改变了海战,由于美国的核动力船舶几乎可以无限期地维持运营,而敌人的防御系统则要应付燃油限制的负担。

由于各种原因,压水堆系统在海军推进方面优于其他设计。尽管压水堆技术要求高压,从而在管道破裂的情况下引起高能量释放,有几个特点使它适合于船只。当过慢时,它具有负的空隙系数,使其对功率变化要求和冷却剂损失情况自动稳定,除此之外。

开始时,美国海军还测试了钠冷却反应堆(USS Seawolf),但在设计上遇到了许多困难,结果取消了该项目,并独家使用压水堆作为美国的蒸汽发生器。海军核船。1955年1月,第一艘压水堆动力潜艇鹦鹉螺号开始使用核能,这是一个了不起的壮举。第二次世界大战结束不到10年。

工业化的道路也相当快。水是当然,自工业革命开始以来,在压水堆运行领域已存在著名的流体和控制它的工程解决方案。此外,因为水也是用来运行涡轮机的流体,初级和次级流体之间的泄漏可以用简单的方法解决。

核动力飞机??

可能不那么广为人知的是美国。空军追求与美国相同的目标。海军差点到达那里。就在二战之后,飞机核推进计划已经启动,它导致橡树岭国家实验室几个MSR反应堆的原型结果很有希望。

MSR设计是选择压水堆技术,因为涡轮喷气发动机和冲压发动机需要一个能量源能够传递热量至少800C,远远超过压水堆的能力。的确,如名称所示,MSR使用熔融的氟化物盐混合物作为主冷却剂,它具有在常压下保持液体在温度高达1,500℃。为了比较,在液相中的压水堆冷却剂需要超过150巴的压力,而输送的温度只有300C。

虽然飞机核推进计划本身在技术上非常具有挑战性,但要克服许多困难,例如系统的重量/推力比,船员的辐射防护,以及发生碰撞时的环境影响,走得很远,使用在改进的Convair战略轰炸机上运行的核反应堆进行若干试验(图2),在橡树岭进行了2.5兆瓦陆地MSR试验。

2。召集NB-36H。NB-36H是一架试验性飞机,载有可操作的核反应堆。它完成了47次试飞,记录了1955年9月至1957年3月在新墨西哥州和德克萨斯州上空飞行215个小时的时间。核反应堆在飞行中运行了89小时。资料来源:美国。空军

然而,在花费了超过10亿美元而没有任何能够飞行的核轰炸机之后,和苏联一起参加建立一支有效的跨洲弹道导弹舰队的竞赛,20世纪60年代初的美国。政府决定停止该项目,并将其所有研究重点重新放在洲际弹道导弹技术上。

MSR的后续发展

然后,在导演Alvin M.温伯格橡树岭实验室通过建造7.4兆瓦的MSR来追求民用应用的概念,它在1969年永久关闭之前运行了五年(图3)。停止测试的主要原因是政治原因,由于橡树岭的MSR实验没有为其他实验室提供足够的工作量,与此同时,对快速育种反应器的研究也日益增多,需要投入越来越多的资源。

三。示范成功。熔盐反应器操作时间超过13,从1965年6月到1969年12月,在田纳西州的橡树岭国家实验室,1000小时全功率运转。反应堆容器,核心,燃油泵,换热器安装在建筑现场系统安全壳内。资料来源:橡树岭国家实验室

这不仅是政治上的,然而。虽然MSR的概念在纸上非常简单,它的工业化进程相当复杂。因为冷却剂是化学药品的混合物,而不是水,它引起大量氚的释放,必须连续移除。它也会产生其他问题,例如标准合金的快速腐蚀,并且当冷却剂被石墨缓和时,核心寿命问题也是如此。

因为在20世纪70年代初之后没有MSR运行,目前提出的解决悬而未决问题的技术方案均未经过实际测试。仍然,新的MSR项目突然出现有两个主要原因:福岛事件和重新出现的军事需求。

解决福岛问题。福岛核电站证明,当轻水反应堆在热停堆条件下失去从堆芯移除余热的所有手段时,熔化的燃料棒将引起氢气向加压容器中的重要释放,当最后一道屏障——安全壳结构——本身不足时,导致蒸汽爆炸和放射性释放到环境中。

至于MSR,熔盐冷却剂在大气压力下工作,直到沸腾,其余量仍然很大,这意味着几乎没有高能蒸汽释放的风险,同时更容易使用自然循环系统(被动方式)去除残余热量。此外,万一发生泄漏,当遇到环境空气温度时,冷却剂将立即冻结。也,MSR冷却剂在温度上升不受控制的情况下不能形成可燃氢。

主要有两种类型的MSR:一种是燃料以固体颗粒形式存在,如压水堆,另一种是燃料本身也溶解在盐混合物中(液体-燃料MSR)。液体燃料的使用允许在线处理燃料以进行净化或提取,无论是在正常情况下还是在事故情况下。液体燃料使,例如,氙的连续去除,这是一种裂变产物,是切尔诺贝利事故的主要原因之一。

福岛核事故还触发了公众对核废料生产的重新关注,并增强了增加可再生能源比例的意愿。在这两个领域中,MSR技术的推动者旨在带来答案,由于该设计可以在运行期间燃烧长提前期的高活性废物-锕系元素。也,由于液体MSR可以连续地从初级电路中除去氙,它使得出色的负载跟踪能力能够补偿可再生能源的间歇性。

新武器竞赛中的核能。随着军事事务的重大变化,MSR也重新引起了人们的兴趣。的确,2010年以来,美国军方已经开始部署有效的防御系统来对付弹道导弹。反过来,它鼓励敌对大国开发其他的威慑手段,如极远程高超音速飞行器和低空超音速导弹。

在向全国发表演讲时3月1日,2018,普京总统向世界展示了俄罗斯极度忍耐的野心。.“我们已经开始研制新型战略武器,这些武器在飞往目标的途中不使用弹道飞行路径,“他说。“其中之一是建造一个小型高能核电站,可以安装在与我们空中发射的X-101或美国的战斧相同的巡航导弹外壳内,但同时能够保证飞行距离大几十倍,这实际上是无限的,“普京补充说。

除了姿势和陈述,然而,看来还有一些工作要做。据报道,这种新型巡航导弹的所有飞行试验都导致短期坠毁。

也,自从中国成为军事大国以来,亚太地区发生强烈冲突的可能性正在增加。在这种情况下,控制广阔的太平洋将是各方的目标。极限距离和耐力是潜在的赢家的关键优势。

如果一个国家想要为尖端军事技术提供无限的电源,那么MSR确实是一个非常好的候选者。如前所述,MSR产生的高温使其非常适合于机载操作,而其他应用则比压水堆紧凑得多。无人驾驶车辆的出现也使得MSR技术的使用更加容易,因为没有机组人员,对辐射屏蔽的要求就不那么严格了。

为了应对目前正在开发的新型高超声速飞行器的威胁,军队又开始研究定向能武器,例如高能激光器,这就需要大量的电源才能有效地运行。最后,采用MSR技术的小型模块化反应堆可以有效地在远程军事基地供电。

虽然这些军事应用听起来像是科幻小说,过去的一个例子说明了高温反应堆比压水堆获得的绝对军事优势:60年代苏联发展了阿尔法级潜艇(图4)。阿尔法级潜艇至今仍被认为是最快的,最深的,以及有史以来建造的最灵活的核潜艇。它的部署导致紧急设计和制造更快的北约鱼雷,就像美国马克48高级能力(ADCAP)或英国矛鱼,对付刚投入服务时几乎无懈可击的东西。

4。阿尔法级潜艇苏联705计划是一类快速攻击潜艇,被北约部队称为阿尔法。该设计由一个铅铋冷却的快速反应堆提供动力。阿尔法级潜艇仍被认为是有史以来建造最快的军用潜艇。资料来源:美国。国防部

是什么让阿尔法成为可能?铅铋冷却快堆,它具有MSR的相同主要特征:高温输送,导致高功率密度设计,使小的,光,以及潜艇的强大反应堆。然而,在环境温度下,高密度铅铋会冻结,旨在防止由于冷却剂冻结而引起的任何不可补救的堆芯损坏的码头维护操作非常复杂且昂贵。铅铋和熔盐反应器有许多共同点,MSR的成本更低,更易于维护。

开发可行的MSR设计

在法国,能源部门对MSR技术没有表现出兴趣,由于其目前的压水堆船队提供竞争能源,同时实现非常高的安全水平。此外,新的压水堆设计(EPR)本质上比福岛通用电气标志I安全得多,这是上世纪60年代设计的。

MSR不仅仅是一种不同的设计,然而;他们是不同的行业。MSR开发人员必须从零开始,制定专门的代码和规章,专用许可过程,专用燃料生产设施,具有受过专门训练的操作人员的专用反应堆,以及专门的废物后处理厂。尽管如此,追求MSR的决定可能不是基于市场法。为了MSR的成功,它们很可能在适当的政治支持和军事资助下得到发展。

当一项技术具有某种潜力时,军事部门可以为快速原型产品提供适当的资金,这不一定具有商业上可行的特性,但将为进一步改进提供基础。然后,一步一步地,克服其余缺点,生产出实用的商业化产品。ω

-让-巴蒂斯特·佩-杜瓦隆是法国核能专家,在几个主要建设项目上具有近15年的经验。