世界迫切需要額外的發(fā)電能力，同時減少并最終消除排放。(圖片來源：Pixabay 上的 Peter H)

哥本哈根原子能公司正在開發(fā)的技術(shù)是重水慢化釷熔鹽反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆安裝在一個 40 英尺的容器內(nèi)，其制造方式與當(dāng)今的汽車生產(chǎn)方式類似。該公司計(jì)劃在裝配線上大規(guī)模生產(chǎn)反應(yīng)堆，每條裝配線每天可生產(chǎn)一座反應(yīng)堆。

每個反應(yīng)堆的輸出功率為 100 兆瓦，其想法是將它們像樂高積木一樣拼湊起來，以便大規(guī)模部署。這使得該技術(shù)適用于發(fā)電和其他應(yīng)用，如工業(yè)用工藝熱，包括生產(chǎn)氫氣和綠色氨。

預(yù)計(jì)該技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)情況下的電價(jià) (LCoE) 將低于 20 美元/兆瓦時。哥本哈根原子能公司還計(jì)劃采用“能源即服務(wù)”商業(yè)模式，即該公司將建造、擁有、運(yùn)營和退役釷反應(yīng)堆，無需客戶投資，也不需要納稅人投資。

釷反應(yīng)堆還有一個額外的好處，就是可以利用傳統(tǒng)核電站的廢燃料(從而將儲存時間從 10 萬年縮短到 300 年)。因此，該技術(shù)被稱為廢物燃燒器。

哥本哈根原子公司是一家“產(chǎn)品至上”的公司，已經(jīng)建造并運(yùn)行了其第一臺全尺寸非裂變原型機(jī)，運(yùn)行溫度為 600°C。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，公司進(jìn)行了廣泛的研發(fā)和測試，以支持實(shí)現(xiàn)這一重要里程碑，并按照積極的路線圖要求在 2028 年之前實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)射。

特斯拉和 SpaceX 等公司率先采用了“產(chǎn)品優(yōu)先”的方法，哥本哈根原子公司也秉承同樣的理念：打造;測試;改進(jìn);強(qiáng)化技術(shù)，以獲得成功。

世界迫切需要額外的發(fā)電能力，同時減少并最終消除排放。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是采用多種途徑的創(chuàng)新。該公司認(rèn)為，釷熔鹽技術(shù)可以為全球能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型做出重大貢獻(xiàn)，一種情景表明，40 年后釷反應(yīng)堆的能量產(chǎn)出可能與今天的天然氣相似。

那么這一切是怎么發(fā)生的呢……?基礎(chǔ)和起源是熔鹽反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn) (MSRE)，這是一座釷增殖反應(yīng)堆，于 20 世紀(jì) 60 年代在美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行了五年。隨著互聯(lián)網(wǎng)在 2000 年左右的普及，這項(xiàng)技術(shù)背后的知識產(chǎn)權(quán)開始公開，并被世界各地的許多大學(xué)團(tuán)體采用。這就是人們對熔鹽反應(yīng)堆興趣重新燃起的開始，并催生了一個目前正在興起的行業(yè)。

六個里程碑

哥本哈根原子公司確定了六個里程碑(見左圖)，這些里程碑支撐并體現(xiàn)了公司的發(fā)展歷程，從創(chuàng)立之初到最終建成的增殖反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆將為未來數(shù)千年提供廉價(jià)而豐富的能源。

里程碑 #1。哥本哈根原子公司自 2014 年以來一直致力于實(shí)現(xiàn)第一個里程碑，已獲得多項(xiàng)寶貴專利，并開發(fā)了以前不存在的新方法和產(chǎn)品。作為雙贏合作的一部分，該公司還將其中一些創(chuàng)新產(chǎn)品出售給其他人(例如熔鹽測試回路技術(shù)和高純度鹽)，哥本哈根原子公司從其他熔鹽研究人員那里獲得數(shù)據(jù)。

這些組件仍有待改進(jìn)，但里程碑 #1 已被認(rèn)為完成了 95%。

目前里程碑 #2已完成 75%。兩座非裂變?nèi)叽绶磻?yīng)堆原型已經(jīng)建成，該公司正在訂購第三座。第三座反應(yīng)堆將在 600°C 下用釷鹽和鈾鹽進(jìn)行測試。

里程碑#3涉及一座 1 MWt 演示/測試反應(yīng)堆，目的是證明建造和運(yùn)行帶有釷包層的熔鹽反應(yīng)堆的能力——這是一項(xiàng)前所未有的壯舉。

預(yù)計(jì)該測試反應(yīng)堆將運(yùn)行 30 天，以獲得具有核經(jīng)驗(yàn)國家的監(jiān)管部門批準(zhǔn)，并具有縮小版商用反應(yīng)堆的所有功能。測試反應(yīng)堆對于證明模擬的準(zhǔn)確性以及材料、生產(chǎn)方法和揮發(fā)性裂變產(chǎn)物去除是必不可少的。未來兩年的重點(diǎn)將是實(shí)現(xiàn)里程碑 #3，借鑒在實(shí)現(xiàn)里程碑 #2 的過程中從 140 多年的測試時間中獲得的豐富經(jīng)驗(yàn)。

目前正在建造的 1 MWt 演示反應(yīng)堆非裂變原型將使用非核燃料鹽來驗(yàn)證反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)該演示反應(yīng)堆將于 2025 年投入運(yùn)行。

在實(shí)現(xiàn)里程碑 #3 之后，里程碑 #4預(yù)計(jì)將相對簡單，盡管在建造五到十個商用反應(yīng)堆之前可能需要運(yùn)行多個版本的測試反應(yīng)堆。目標(biāo)是到 2028 年擁有商用反應(yīng)堆，但要等待愿意支持此類先進(jìn)反應(yīng)堆的國家的批準(zhǔn)。計(jì)劃在目前的公司總部組裝十個商用反應(yīng)堆。

這為里程碑 #5奠定了基礎(chǔ)，涉及反應(yīng)堆的流水線生產(chǎn)和在少數(shù)幾個地點(diǎn)的快速安裝。哥本哈根原子能公司將在“超級工廠”環(huán)境中建立流水線生產(chǎn)，從數(shù)百家分包商處接收組件并按順序組裝反應(yīng)堆，每天發(fā)貨一座反應(yīng)堆。每條裝配線大約需要 1000 人，每年應(yīng)該可以安裝 15 GWe 的新反應(yīng)堆。超級工廠可能會設(shè)在首先批準(zhǔn)類型認(rèn)證并允許快速部署反應(yīng)堆的國家。

里程碑 #6被認(rèn)為是最令人興奮的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)熱譜增殖反應(yīng)堆可以比作首次登月。這一里程碑有可能解鎖一種在價(jià)格和擴(kuò)展能力上都超越化石燃料的能源。

雖然里程碑 #6 似乎遙不可及，可能要到 2035 年才能實(shí)現(xiàn)，但過去十年取得的進(jìn)展讓哥本哈根原子公司更接近其目標(biāo)。預(yù)計(jì) 2024 年對該公司來說將特別令人興奮，因?yàn)楣緦⑦M(jìn)行非裂變反應(yīng)堆測試、鋰 7 生產(chǎn)以及大規(guī)模鈾和釷鹽生產(chǎn)和處理。

哥本哈根原子能公司目前正在積極籌集資金以推進(jìn)這一路線圖，并積極就試驗(yàn)反應(yīng)堆的東道國進(jìn)行談判。其中一個談判對象是英國，英國已經(jīng)擁有悠久的核技術(shù)歷史和廣泛的核基礎(chǔ)設(shè)施。

哥本哈根原子能公司沒有進(jìn)入英國的通用設(shè)計(jì)評估 (GDA) 流程，因?yàn)樗贿m合這項(xiàng)計(jì)劃。哥本哈根原子能公司想要做的事情的范圍與其他通用設(shè)計(jì)評估參與者不同，因?yàn)樗O(shè)想的是一個只產(chǎn)生熱量而不產(chǎn)生電力的小型測試反應(yīng)堆。然而，英國正在與政府、場址和 ONR (核監(jiān)管辦公室) 進(jìn)行多次對話，以探索批準(zhǔn)測試反應(yīng)堆的途徑。

哥本哈根原子能公司還尋求在其他國家批準(zhǔn)該測試反應(yīng)堆，目前許多地方正在進(jìn)行談判，預(yù)計(jì)很快就會發(fā)布公告。

達(dá)成這樣的主辦協(xié)議將使主辦國、哥本哈根原子能公司以及全世界受益。

試驗(yàn)反應(yīng)堆將為商業(yè)化運(yùn)行鋪平道路。這項(xiàng)技術(shù)的試點(diǎn)國家最有可能是試驗(yàn)反應(yīng)堆所在地的國家，因此也將是第一個從商業(yè)化部署中獲益的國家。

移動

2023 年，哥本哈根原子公司完成了一輪 2500 萬歐元的投資，這使得公司能夠遷至新的總部/測試設(shè)施，并朝著將公司發(fā)展成為核能領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者的目標(biāo)邁進(jìn)。哥本哈根原子公司于 2019 年遷至阿法拉伐的舊址，這與公司最初的丹麥技術(shù)大學(xué)地下室相比，也是一個很大的進(jìn)步。在阿法拉伐，有真正的生產(chǎn)設(shè)施，包括高架起重機(jī)、大型機(jī)器和食堂。然而，公司已經(jīng)完全超出了那個位置，迫切需要更多的地面空間進(jìn)行測試和生產(chǎn)。新總部位于哥本哈根機(jī)場附近的卡斯特魯普，占地 11000 平方米，擁有大量空間，可以發(fā)展成為一家提供真正商用反應(yīng)堆的真正的反應(yīng)堆公司。

在新總部，不可能在真正的核反應(yīng)堆中進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，但可以建造全尺寸的非裂變原型，并使用電加熱器用含釷和鈾的鹽進(jìn)行測試。哥本哈根原子公司還將運(yùn)行世界上最大的釷熔鹽純化生產(chǎn)線，目前正在這里建造世界上最大的鋰7生產(chǎn)線。

作者：Jesper Glahn，哥本哈根原子能公司

本文最初發(fā)表于《現(xiàn)代電力系統(tǒng)》雜志。