美國工程師在愛達荷實驗室測試突破性核反應堆冷卻系統

測試使用了主冷卻劑裝置試驗臺 (PCAT)。

美國愛達荷國家實驗室（INL）的MARVEL 微型反應堆項目已成功完成為期三個月的冷卻系統測試活動。

2020 年春季，由卡洛·帕里西（Carlo Parisi）領導的 INL 工程師們開始設計一個名為“微型反應堆應用研究驗證”（Microreactor Applications Research Validation, MARVEL）的微型反應堆測試設施。

測試使用了主冷卻劑裝置試驗臺 (PCAT)，這是一個非核設施。

“MARVEL 擁有獨特的燃料、冷卻劑和幾何構型組合，這是任何其他反應堆都未曾使用過的，”帕里西說。

帕里西補充道：“建造這個模擬裝置進行測試至關重要，因為世界上沒有任何可供參考的相似設施。”

此次冷卻系統測試活動已證實了其可行性。

冷卻系統有效性驗證

據悉，MARVEL 是一種鈉鉀冷卻的微型反應堆。

MARVEL 設計的一個關鍵方面是其自然循環被動冷卻機制。該微型反應堆利用類似于熱空氣在煙囪中上升的自然過程進行自我冷卻，而非依賴傳統的泵。

這就是為什么 INL 團隊建造了這個獨一無二的非核設施 —— PCAT。

PCAT 測試旨在證明該系統的可行性，這對于防止核燃料過熱至關重要。

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

在為期三個月的嚴格測試活動中，PCAT 對 MARVEL 的設計進行了驗證。最終，測試證實了穩定的自然循環流，確認了 MARVEL 能夠安全產生高達 100 千瓦熱能的能力。

“如果自然循環機制在 PCAT 中有效，那么得益于其更優的排熱能力，預計它在 MARVEL 中的效果會更好，”帕里西說。

面臨的挑戰

除了驗證冷卻機制外，PCAT 測試活動還用于嚴格測試 INL 的熱工水力設計和安全分析軟件 RELAP5-3D。實驗數據與該軟件的數值預測高度吻合。

“軟件越精確，我們就越有信心它能預測運行和事故情況，”帕里西說。

盡管測試結果令人鼓舞，但也揭示了一個意外問題：PCAT 系統中的熱量損失比預期要多。

“這對組裝 MARVEL 是一個重要教訓，因為了解和考慮這些熱損失將影響反應堆的性能和效率。熱損失是有害的，因為它們會降低反應堆的效率，就像房屋保溫不良會導致供暖成本上升一樣，”帕里西解釋道。

該項目一路走來，面臨并克服了諸多挑戰。在早期開發階段，團隊曾遇到最初打算用于排熱的斯特林發動機的問題。發動機的振動和噪音水平引發了對其可靠性的擔憂。

因此，團隊重新設計了第三回路冷卻系統，選擇了一種更穩定、類似散熱片（radiator-like）的裝置作為替代方案。

PCAT 測試結果證實，該核微型反應堆設計中的安全裕度是足夠的。團隊現在將著手向美國能源部提交必要的安全文件，為反應堆的建造掃清道路。

隨著 PCAT 測試的成功完成，MARVEL 項目現已步入下一階段：在 INL 的瞬態反應堆測試設施（Transient Reactor Test Facility）進行制造、組裝和啟動。預計全功率運行將于 2028 年開始。

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