5. 中子经济

U-Pu燃料循环，Pu裂变中子产额高。即使通过可增殖²³⁸U转换再生的Pu燃料，仍然有很多过剩中子。如果只给燃料供²³⁸U，中子过剩最终将成为附加的钚。反应堆增殖器模式运行，转化比大于一。

过剩中子可另外用于嬗变目标，尤其是通过PPU，在燃料盐内混入长寿命裂变产物。反应堆嬗变自身的长寿命裂变产物，仍然有相当多的过剩中子，可用来嬗变其他核反应堆乏燃料元件的裂变产物。除非过剩中子暗暗被耗尽，反应堆本身作为燃烧器运行，即转化比等于一。

作为一种选择，PPU可混入钍或惰性材料，消耗过剩中子。钍-铀燃料循环，²³³U的裂变中子产额比钚裂变小得多。DFR可作为快中子Th-U增殖器运行，转换比略大于一，嬗变自己的长寿命裂变产物或许可行。对此，PPU需要分离并储存²³³Pa，直到衰变为²³³U。PPU可设计得从U-Pu不间断地转换到Th-U燃料循环。

燃料盐内的易裂变材料也可含乏核燃料元件的超铀元素。在裂变产物嬗变情况下，PPU要处理氯盐，即在沸点附近分离乏燃料元件燃料芯块的化学元素。PPU混合所需阿系元素制成燃料盐，维持堆芯临界条件。这样，燃料的来源是天然铀、贫铀、核废物和钍。

6. DFR电厂

图3是DFR参考电厂，输出热功率300万千瓦，电功率～150万千瓦，这是目前工业化国家电网最佳的电厂规模。核岛坐落在地下掩体内，能承受震级很高的地震、飞机直接撞击和非集中的常规军事攻击。常规岛利用超临界水消耗，为了改善经济性能毋须加固，虽然很容易就能加强到所需程度。

6.1 裂变产物处理

高温化学处理单元（PPU）去除燃料液流的裂变产物并补充阿系元素，后者可以是天然铀/贫铀、乏燃料元件和钍，年耗量1.2吨。裂变产物按化学元素排序，较长寿命的铸成小球，包装并密封在波纹管内。这些管子借助机械手转移到下面的衰变储罐内。地堡能排除整个反应堆寿期内所有的裂变产物并把它储存起来，直至每年衰变总量达到500kg。分选的裂变产物可按照它们的半衰期排出。所有裂变产物90％都可在100年后排出，以便提取贵金属和稀有金属。中间寿命的裂变产物在300年内衰变光，而且那时许多仍然在储罐内。储罐内部波纹管借助环境空气利用烟囱效应非能动地冷却。

在底层楼的衰变热沉积物包括反应堆燃料装载量储罐和主冷却剂回路内高浓短寿命放射性裂变产物。衰变热沉积物由“拼装积木”式砖块装配的烙铁组成，借助热膨胀建立全热接触，设计得能吸收和缓冲停堆后快衰减的初始热能，并通过外墙缓慢地弥散到环境。

6.2 常规岛

由于铅的放射性很小，主冷却剂回路有可能直接进入电厂常规岛。在此，热能需要从液态金属这种有很高热传输能力的介质传输给热传输能力相当小、适合汽轮机的工作介质。没有进一步开发，现今成本最有效的技术是超临界水循环。虽然最新燃煤电厂工作在700℃，提升到1000℃没有重大问题。通常，相对汽轮机，超临界水循环涡轮机与燃气轮机有更多共同点，因为贯穿整个循环没有相变；所以运行参数完全类似。就水作为氧化剂的能力而言，其反应性能随温度而上升。但是，现代燃气轮机用极有弹性的材料制造，而且能与硫酸、微粒和1400°C的热蒸汽很好相容。

图3. 可能基于DFR的电厂。紧凑允许安装在地下。

6.3 工艺供热和发电

如果DFR用于工艺供热，常规岛部分还可以改进。只用于工艺供热，可使用比邻的主冷却剂换能器，把热能传给二次液态冷却剂循环或直接加热化学反应器。如果希望工艺供热和发电相结合，首先是间接热交换器分离高温运行的热能，接着后面的热交换器把低温水加热成蒸汽或连接汽轮机的超临界水循环。

6.4 未来的磁流体发电机选项

一个进一步的可能性是利用接入铅冷回路的磁流体动力（MHD）发电机。液态金属特别有这种资格，因为它们是高浓载流子。MHD发电机的效率主要受喷嘴的限制，喷嘴把流体的内能转换为定向汽流能，但转换电力的能量除外。MHD发电机后仍然有相当大的余热，可用于后面水循环的热交换器。这样的系统可能比并联的汽轮机便宜得多。

6.5 原子辐射化学生产

可用另一种方法设计短寿命裂变产物仓库，把强辐射用于要求高剂量（每秒几千戈瑞）的原子辐照诱发化学反应。一个例子是辐照压缩空气生产NO和O₃，比奥斯特瓦尔德（Ostwald）工艺和介质阻隔放电法[11]便宜得多。 

7. 能源投资收益率（EROI）考虑

能源投资收益率，很可能是描述能源技术经济效能特征的最重要的因素，定义为电厂寿期内总发电量与建造、燃料供应开支、维护和退役的消耗之比[12][13]。表1是评估的DFR的EROI。因为必须调研某些材料（特别是耐高温金属）并为用于DFR加以改进，必须估算它们的能源存量，核岛维修也是未知数，造成某些不确定性。

因此得到的EROI大概是2000，比其他任何技术高20-1000倍[12]。这是由于设计非常紧凑，按每瓦能耗计，基建的能源需求几乎降低到联合循环燃气轮机（CCGT）电厂水平，而且与轻水堆相比，由于高效利用，燃料相关的能源需求很少。设计优化和按地壳基本浓度（对于钍，～10ppm）提取燃料导致燃料相关输入的支配能力，证明DFR在很大程度上耗尽了核裂变的潜能。

表1. DFR输入能源总量

参考资料

[1] MIECZYSLAW TAUBE and J LIGOU. MOLTEN PLUTONIUM CHLORIDE FAST BREEDER REACTOR COOLED BY MOLTEN URANIUM CHLORIDE. Annals of Nuclear Science and Engineering, Vol. 1, pp. 277 to 281. Pergamon Press 1974.

[2] G M Tolson and A Taboada. A STUDY OF LEAD AND LEAD-SALT CORROSION IN THERMAL-CONVECTION LOOPS. ORNL-M-1437, Oak Ridge National Laboratory, April 1966

[3] J W Koger and A P Litman. COMPATIBILITY OF MOLYBDENUM-BASE ALLOY TZM WITH LiF-BeF2-ThF4-UF4 (68-20-11.7-0.3 mole %) at 1100°C. ORNL-TM-2724, Oak Ridge National Laboratory, Dezember 1969.

[4] Yuji Hosoya, Takayuki Terai, Toshiaki Yoneoka, Satoru Tanaka. Compatibility of structural materials with molten chloride mixture at high temperature. Journal of Nuclear Materials 248 (1997); 348-353.

[5] U. Dilthey (Editor): Laserstrahlschweißen - Prozesse, Werkstoffe, Fertigung, Prüfung. DVS-Verlag, Düsseldorf 2000, ISBN 3-87155-906-7

[6] H. Schultz: Elektronenstrahlschweißen. Fachbuchreihe Schweißtechnik, Vol. 93. DVSVerlag, Düsseldorf 2000, ISBN 3-87155-192-9

[7] The fissile material is denoted by the prevalent nuclide. Indeed it is a mixture with several isotopes originating from competing side reactions rendering it non-weaponsgrade.

[8] J. W. Kigh-tower, Jr.; L. E. McNeese; B. A. Hannaford; H. B. Cochran, Jr. LOWPRESSURE DISTILLATION OF A PORTION OF THE FUEL CARRIER SALT FROM THE MOLTEN SALT REACTOR EXPERIMENT. ORNL-4577, OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY, 1971.

[9] James A. Lane, H. G. McPherson, Frank Maslan. Fluid Fuel Reactors. Addison-Wesley Publishing Company, Inc., Reading, Massachusetts, USA; September 1958

10] J Kedl. THE MIGRATION OF A CLASS OF FISSION PRODUCTS (NOBLE METALS) IN THE MOLTEN-SALT REACTOR EXPERIMENT. Master thesis, Oak Ridge National Laboratory 1972; ORNL-TM-3884

11] V T STANNETT AND E P STAHEL. LARGE SCALE RADIATION-INDUCED CHEMICAL PROCESSING. Annual Review of Nuclear Science Vol. 21 (1971): 397-416

12] D. Weißbach, G. Ruprecht, A. Huke, K. Czerski and S. Gottlieb, "Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants". Energy 52 (2013) 210

13] Ayres RU, Leslie WA, Martinás K, Exergy, waste accounting, and life-cycle analysis, Energy 23 (1998) 355

全文译自：A. Huke*, G. Ruprecht, D. Weißbach, S. Gottlieb, A. Hussein, K. Czerski，The Dual Fluid Reactor - a new concept for a highly effective fast reactor，IAEA，2013.

（翻译：杜铭海）