測(cè)試使用了主冷卻劑裝置試驗(yàn)臺(tái) (PCAT)。

美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（INL）的MARVEL 微型反應(yīng)堆項(xiàng)目已成功完成為期三個(gè)月的冷卻系統(tǒng)測(cè)試活動(dòng)。

2020 年春季，由卡洛·帕里西（Carlo Parisi）領(lǐng)導(dǎo)的 INL 工程師們開始設(shè)計(jì)一個(gè)名為“微型反應(yīng)堆應(yīng)用研究驗(yàn)證”（Microreactor Applications Research Validation, MARVEL）的微型反應(yīng)堆測(cè)試設(shè)施。

測(cè)試使用了主冷卻劑裝置試驗(yàn)臺(tái) (PCAT)，這是一個(gè)非核設(shè)施。

“MARVEL 擁有獨(dú)特的燃料、冷卻劑和幾何構(gòu)型組合，這是任何其他反應(yīng)堆都未曾使用過(guò)的，”帕里西說(shuō)。

帕里西補(bǔ)充道：“建造這個(gè)模擬裝置進(jìn)行測(cè)試至關(guān)重要，因?yàn)槭澜缟蠜]有任何可供參考的相似設(shè)施?！?/p>

此次冷卻系統(tǒng)測(cè)試活動(dòng)已證實(shí)了其可行性。

冷卻系統(tǒng)有效性驗(yàn)證

據(jù)悉，MARVEL 是一種鈉鉀冷卻的微型反應(yīng)堆。

MARVEL 設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面是其自然循環(huán)被動(dòng)冷卻機(jī)制。該微型反應(yīng)堆利用類似于熱空氣在煙囪中上升的自然過(guò)程進(jìn)行自我冷卻，而非依賴傳統(tǒng)的泵。

這就是為什么 INL 團(tuán)隊(duì)建造了這個(gè)獨(dú)一無(wú)二的非核設(shè)施 —— PCAT。

PCAT 測(cè)試旨在證明該系統(tǒng)的可行性，這對(duì)于防止核燃料過(guò)熱至關(guān)重要。

PCAT 就像是 MARVEL 主冷卻劑回路的近乎精確模型。它利用電力產(chǎn)生熱量，在沒有任何核材料的情況下模擬反應(yīng)堆的熱行為。這使得工程師能夠安全、徹底地驗(yàn)證每個(gè)組件。

在為期三個(gè)月的嚴(yán)格測(cè)試活動(dòng)中，PCAT 對(duì) MARVEL 的設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。最終，測(cè)試證實(shí)了穩(wěn)定的自然循環(huán)流，確認(rèn)了 MARVEL 能夠安全產(chǎn)生高達(dá) 100 千瓦熱能的能力。

“如果自然循環(huán)機(jī)制在 PCAT 中有效，那么得益于其更優(yōu)的排熱能力，預(yù)計(jì)它在 MARVEL 中的效果會(huì)更好，”帕里西說(shuō)。

面臨的挑戰(zhàn)

除了驗(yàn)證冷卻機(jī)制外，PCAT 測(cè)試活動(dòng)還用于嚴(yán)格測(cè)試 INL 的熱工水力設(shè)計(jì)和安全分析軟件 RELAP5-3D。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與該軟件的數(shù)值預(yù)測(cè)高度吻合。

“軟件越精確，我們就越有信心它能預(yù)測(cè)運(yùn)行和事故情況，”帕里西說(shuō)。

盡管測(cè)試結(jié)果令人鼓舞，但也揭示了一個(gè)意外問(wèn)題：PCAT 系統(tǒng)中的熱量損失比預(yù)期要多。

“這對(duì)組裝 MARVEL 是一個(gè)重要教訓(xùn)，因?yàn)榱私夂涂紤]這些熱損失將影響反應(yīng)堆的性能和效率。熱損失是有害的，因?yàn)樗鼈儠?huì)降低反應(yīng)堆的效率，就像房屋保溫不良會(huì)導(dǎo)致供暖成本上升一樣，”帕里西解釋道。

該項(xiàng)目一路走來(lái)，面臨并克服了諸多挑戰(zhàn)。在早期開發(fā)階段，團(tuán)隊(duì)曾遇到最初打算用于排熱的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪音水平引發(fā)了對(duì)其可靠性的擔(dān)憂。

因此，團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了第三回路冷卻系統(tǒng)，選擇了一種更穩(wěn)定、類似散熱片（radiator-like）的裝置作為替代方案。

PCAT 測(cè)試結(jié)果證實(shí)，該核微型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中的安全裕度是足夠的。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在將著手向美國(guó)能源部提交必要的安全文件，為反應(yīng)堆的建造掃清道路。

隨著 PCAT 測(cè)試的成功完成，MARVEL 項(xiàng)目現(xiàn)已步入下一階段：在 INL 的瞬態(tài)反應(yīng)堆測(cè)試設(shè)施（Transient Reactor Test Facility）進(jìn)行制造、組裝和啟動(dòng)。預(yù)計(jì)全功率運(yùn)行將于 2028 年開始。

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