“核電池”是提供無(wú)碳能源的“新途徑”？

美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)新聞辦公室的大衛(wèi)·錢(qián)德勒(David L. Chandler)，6月下旬就美國(guó)核專(zhuān)家在《The Bridge》雜志提出的微堆型“核電池”概念及有關(guān)問(wèn)題，采訪(fǎng)了其作者之一、MIT的雅格布·布翁焦?fàn)栔Z教授，發(fā)表了典型格式的《三問(wèn)》……[1]

布翁焦?fàn)栔Z教授和其他人說(shuō)，工廠(chǎng)建造的微堆，用卡車(chē)運(yùn)到使用地點(diǎn)，對(duì)于電力系統(tǒng)脫碳，可能是個(gè)安全、有效的選擇。

麻省理工學(xué)院(MIT)的這幅“核電池”概念圖，展示重要部件，如儀器和控制模塊、反應(yīng)堆和電源模塊。

一群核專(zhuān)家最近在美國(guó)國(guó)家工程學(xué)院的期刊《The Bridge》上表示，核能現(xiàn)在可能正頻臨一種新的范式。 他們說(shuō)，就像大型、昂貴、集中式計(jì)算機(jī)讓位于現(xiàn)今、廣泛分布式的個(gè)人電腦(PC)一樣，相對(duì)小型、廉價(jià)、工廠(chǎng)建造的新一代反應(yīng)堆即將問(wèn)世，其設(shè)計(jì)目的類(lèi)似于插上個(gè)超大型的蓄電池，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的“即插即用”。

這種擬議中的系統(tǒng)可以為工業(yè)過(guò)程提供熱能，為軍事基地或社區(qū)提供電力，在無(wú)人看管的情況下運(yùn)行5至10年以上，然后用拖車(chē)運(yùn)回工廠(chǎng)更換核燃料，整修后再用。 作者：雅格布·布翁焦?fàn)栔Z(Jacopo Buongiorno)，MIT核科學(xué)與工程系的 TEPCO(東京電力公司)教授;羅伯特·弗里達(dá)(Robert Frida)，GenH公司的創(chuàng)始人之一;史蒂文·奧美爾(Steven Aumeier )，愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的核專(zhuān)家;凱文·奇爾頓(Kevin Chilton)，退休的美國(guó)戰(zhàn)略司令部司令， 他們把這種小型核發(fā)電裝置稱(chēng)為“核電池”。他們認(rèn)為，由于這種裝置運(yùn)行簡(jiǎn)單，能在全球電力系統(tǒng)脫碳、避免災(zāi)難性氣候變化方面發(fā)揮重要作用?！禡IT新聞》就請(qǐng)布翁焦?fàn)栔Z教授簡(jiǎn)單描述他們團(tuán)隊(duì)的“提案”。 以下是MIT典型格式的《三問(wèn)》。

問(wèn)：小型模塊化核反應(yīng)堆“概念”已經(jīng)討論了好幾年了。 是什么使“核電池”的提案“與眾不同”?

答：我們描述的這種裝置，使“工廠(chǎng)制造”和“模塊化”概念達(dá)到“極致”。 早些時(shí)候的提議，考慮的是發(fā)電量在100-300 MW的反應(yīng)堆，是傳統(tǒng)的GW級(jí)大型核反應(yīng)堆出力的1/10。這種規(guī)模的反應(yīng)堆，可以用工廠(chǎng)生產(chǎn)的部件組裝，但仍需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行某些組裝和大量的現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作。 所以，它是對(duì)傳統(tǒng)核電機(jī)組的改進(jìn)，但并沒(méi)有改變游戲規(guī)則。

這個(gè)“核電池”概念則完全不同，因?yàn)檫@種設(shè)備的實(shí)體尺寸和輸出功率大約是10 MW。 它如此之小，以至于整個(gè)發(fā)電裝置實(shí)際上是在工廠(chǎng)內(nèi)建成的，而且可裝在標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱內(nèi)。

從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，它有幾個(gè)好處。 部署這種“核電池”需要管理大型的建筑工地，而這是過(guò)去20年來(lái)核項(xiàng)目進(jìn)度延誤和成本超支的主要原因。

部署“核電池”速度很快，比如幾周之內(nèi)就能成為“按需服務(wù)”的能源。可以把核能視為“產(chǎn)品”，而不是個(gè)“大型項(xiàng)目”。

問(wèn)：你提到這種裝置有可能會(huì)廣泛部署，甚至在居民區(qū)為整個(gè)社區(qū)供電。人們對(duì)這種核電裝置的安全有多大信心?

答：正在開(kāi)發(fā)的許多“核電池”設(shè)計(jì)，非常堅(jiān)固， 實(shí)際上是這項(xiàng)技術(shù)的“銷(xiāo)售特色”之一。 實(shí)體尺寸小，在很多方面有助于安全。 首先，停堆后，需要排除的剩余發(fā)熱量很小。 其次，堆芯的表面積與體積之比很大，在任何情況下更容易保持核燃料冷卻，無(wú)需任何外部的干預(yù)。這種系統(tǒng)本質(zhì)上是“自顧自”的。

第三，這種反應(yīng)堆周?chē)€有個(gè)非常緊湊和堅(jiān)固的鋼安全殼，以防止放射性物質(zhì)釋放到外部環(huán)境。 為了加強(qiáng)安全，我們?cè)O(shè)想，在大多數(shù)場(chǎng)址，這種“核電池”將設(shè)在地下，以提供附加的防護(hù)，免遭“特攻部隊(duì)”攻擊。

問(wèn)：怎么知道這種新型反應(yīng)堆能正常運(yùn)行，還需要有什么才能使這類(lèi)的裝置廣泛使用?

答：美國(guó)航空與航天局(NASA)和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)，三年內(nèi)(2015-2018年)從設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試，演示了一個(gè)空間應(yīng)用的微堆。利用能源部可用的核技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，成本為2000萬(wàn)美元。 這個(gè)成本和進(jìn)度，比傳統(tǒng)的、大型核電機(jī)組小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。后者很容易花費(fèi)幾十億美元，要5到10年的時(shí)間才能建成。

美國(guó)現(xiàn)有六家公司在開(kāi)發(fā)自己的設(shè)計(jì)[2]。 例如，西屋公司正在研究的“核電池”(指伊·達(dá)芬奇)，利用熱管技術(shù)冷卻，計(jì)劃三年內(nèi)運(yùn)行一個(gè)示范裝置。 它就是國(guó)家實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)小型試驗(yàn)裝置，例如，愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就有很多設(shè)施，正在修改，以適應(yīng)對(duì)這種小型反應(yīng)堆進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

例如，這種反應(yīng)堆可以經(jīng)受比正常運(yùn)行中遇到的更為極端的條件，并且通過(guò)直接測(cè)試證明，沒(méi)有超過(guò)故障極限。 這就為后續(xù)階段、廣泛商用的設(shè)施提供了信心。

這種“核電池”，最適宜為每個(gè)經(jīng)濟(jì)部門(mén)創(chuàng)建“彈性”，可以放在最需要“動(dòng)力”的地方，通過(guò)提供穩(wěn)定、可靠的無(wú)碳電力和熱能資源，從而減少昂貴和專(zhuān)用的能源傳輸和存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施。 如果這些變得像我們預(yù)想的那樣普及，它們將為減少世界溫室氣體排放做出重大貢獻(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

面對(duì)全球性的氣候危機(jī)和能源轉(zhuǎn)型，美國(guó)與世界的核專(zhuān)家都在為核電的未來(lái)“吶喊”，但收效甚微。其實(shí)，核能主要是經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。在可預(yù)測(cè)的未來(lái)，即使沒(méi)有任何補(bǔ)貼，最流行的“太陽(yáng)能+風(fēng)能+儲(chǔ)能”組合選項(xiàng)的經(jīng)濟(jì)成本，也容易低于最便宜的燃煤電廠(chǎng)……

世界核能寄希望于中國(guó)?，F(xiàn)在的世界，只有中國(guó)有能力每年開(kāi)建5-10臺(tái)大型核電機(jī)組。但是，沿海場(chǎng)址有限，單一場(chǎng)址的功率容量和環(huán)境容量也有限。更重要的是大型核電機(jī)組的“調(diào)峰”和“負(fù)荷跟蹤”能力差，極不適宜頻繁地、大幅度地升降負(fù)荷。美國(guó)有90多臺(tái)大型核電機(jī)組，年負(fù)荷容量因子高達(dá)92%以上，其保持安全的秘密就在于長(zhǎng)期帶“基荷”運(yùn)行。大型核電機(jī)組經(jīng)不起時(shí)常地“折騰”。如果核電基地(多臺(tái)大型機(jī)組)的“出力”消化不了，自身又沒(méi)有適當(dāng)?shù)?ldquo;出路”，寧肯減少出力，也要保持穩(wěn)定、帶“基荷”運(yùn)行……

目前，世界核電最急迫的任務(wù)是“推陳出新”，適應(yīng)客觀(guān)、外在要求，在改變核電“自身”上邁出新的一步。就此而論，把“微堆”當(dāng)成打通國(guó)內(nèi)、外核電市場(chǎng)“特定需求”的新途徑，讓“核電池”成為單臺(tái)“設(shè)備”，“即插即用”，而不是實(shí)施多年、動(dòng)輒上百億的巨大工程，很可能成為“游戲規(guī)則的改變者”。美國(guó)新任能源部長(zhǎng)把新堆“部署”放在首位，私營(yíng)公司OKLO能源的極光(Aurora )微堆已在2020年2月向NRC提交建造與運(yùn)行許可設(shè)計(jì)申請(qǐng)。根據(jù)NRC的安排，經(jīng)批準(zhǔn)后，就能在愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科技園區(qū)現(xiàn)場(chǎng)不到一年時(shí)間，建成這種示范核電裝置。微堆會(huì)有很好的示范作用。

美國(guó)OKLO公司的極光(Aurora)核電裝置藝術(shù)效果圖

資料與注釋?zhuān)?/p>

1. David L. Chandler，3Q: Why “nuclear batteries” offer a new approach to carbon-free energy，MIT NEWs，June 25, 2021

2. Catherine Clifford，Oklo has a plan to make tiny nuclear reactors that run off nuclear waste，CNBC，JUN 28 2021