核能的出路：從巨型工程到“即插即用”的核電池

美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)核工程教授雅格布·布翁焦?fàn)栔Z(Jacopo Buongiorno)要西方發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體用“核電池”輔佐可再生能源(太陽(yáng)能+風(fēng)能)系統(tǒng)“脫碳”，避免災(zāi)難性氣候變化[1]，一時(shí)讓人“摸不著頭腦”。幸好，丹·尤爾曼(Dan Yurman)在《Neutron Bytes》網(wǎng)站上做了充實(shí)性論述[2]，使人能把許多情景聯(lián)系起來(lái)，加深“理解”……

圖1核電池概念圖像，包括(從左到右)儀控模塊、反應(yīng)堆、屏蔽和熱傳輸模塊以及發(fā)電模塊(MIT)

麻省理工學(xué)院(MIT)核科學(xué)與工程系(NSE)TEPCO(東京電力)教授雅格布·布翁焦?fàn)栔Z，正致力于開(kāi)發(fā)一種堅(jiān)固、小型、輕便的核電池，可以“旁路”電網(wǎng)，直接向終端用戶現(xiàn)場(chǎng)提供電力和熱能[3,4]。

這就把離網(wǎng)、分布式電力和社區(qū)微電網(wǎng)的理念結(jié)合在一起。核電池“群”不需要新的輸電線路，不需要電網(wǎng)升級(jí)，也不需要備用的儲(chǔ)能。它們無(wú)需接入電網(wǎng)，就可支持單一設(shè)施、社區(qū)微電網(wǎng)，或其他當(dāng)?shù)氐膶ｉT用途。

在MIT看來(lái)，當(dāng)前，一個(gè)核電池約可產(chǎn)生10兆瓦(MW)電力和/或熱能;也就是說(shuō)它的能量輸出，相當(dāng)于一個(gè)巨大的太陽(yáng)能或風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，但占地面積很小。

MIT先進(jìn)核能系統(tǒng)(CANES)中心主任布翁焦?fàn)栔Z說(shuō)，“核電池在地理上不受限制，可在任何緯度和任何氣候下脫碳。”他說(shuō)，這種分布式網(wǎng)絡(luò)就是為了“大大減少難以電氣化行業(yè)的碳排放。”它們會(huì)比國(guó)家目前依賴的老化、脆弱的電網(wǎng)更有彈性。

“我們的雄心很大，因?yàn)槲覀冋谔幚淼膯?wèn)題巨大。[5] ”

核電池概念并不新鮮。早在2004年，美國(guó)防先進(jìn)研究規(guī)劃局(DARPA)就在研究微型電源[6]。這種設(shè)計(jì)使用美國(guó)宇航局(NASA)的放射性同位素?zé)岷税l(fā)電裝置(RTG)，作為先進(jìn)設(shè)計(jì)概念的跳板。硅谷初創(chuàng)公司Oklo已在去年6月向美國(guó)核管會(huì)(NRC)提交1.5 MW微堆設(shè)計(jì)的許可證申請(qǐng)，NRC已接受申請(qǐng);它還獲得在愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(INL)科技園區(qū)現(xiàn)場(chǎng)建造的廠址許可證，很有可能在2026年前后建成，成為美國(guó)多年來(lái)首個(gè)先進(jìn)核反應(yīng)堆……

核電池聯(lián)盟的組成

2021年1月，布翁焦?fàn)栔Z和美國(guó)能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、能源和制造業(yè)、法律和建筑公司的一群合作者宣布成立非營(yíng)利的聯(lián)盟，即先進(jìn)核能與生產(chǎn)專家組(ANPEG)[7]。這個(gè)首字母縮寫(xiě)有意與MPEG相呼應(yīng)，MPEG是數(shù)字圖像和視頻媒體編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

ANPEG是全球性的聯(lián)盟，致力開(kāi)發(fā)以“即插即用”微堆(或稱核電池)為基礎(chǔ)的低碳能源系統(tǒng)，要提供靈活、有彈性、成本效益好的能源解決方案，支持先進(jìn)的生產(chǎn)活動(dòng)、能源公平，減緩和適應(yīng)氣候變化。

布翁焦?fàn)栔Z說(shuō)，“MPEG為數(shù)字壓縮和性能建立了‘即插即用’標(biāo)準(zhǔn)，大型技術(shù)公司則把它作為競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。”

“我們希望把同樣的理念應(yīng)用于核電池的開(kāi)發(fā)，通過(guò)創(chuàng)建一套共享的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)和商業(yè)模式，促進(jìn)核電池設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用。”

布翁焦?fàn)栔Z和聯(lián)盟成員，包括麻省理工學(xué)院的科魯什·希爾凡(Koroush Shirvan)(NSE)，查爾斯·福斯伯格(Charles Forsberg)(NSE)和約翰·帕森斯(John Parsons)(MIT Sloan)，他們都想在近期內(nèi)對(duì)碳排放產(chǎn)生影響。他們認(rèn)為，核電池最適合應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)。詳見(jiàn)查爾斯·福斯伯格關(guān)于研發(fā)工作的簡(jiǎn)要報(bào)告[8]，旨在解決“裂變電池”的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

這個(gè)聯(lián)盟沒(méi)有透露任何外部投資者的名字。或許因?yàn)檫@個(gè)群體的負(fù)責(zé)人長(zhǎng)期在MIT從事學(xué)術(shù)生涯，也可能他們的戰(zhàn)略就是開(kāi)發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)足夠詳細(xì)，將其授予一家公司，使之可以完成整個(gè)工程設(shè)計(jì)、獲得NRC的許可并沖過(guò)終點(diǎn)線。

未來(lái)的成功取決于客戶“所要”的設(shè)計(jì)和成本

布翁焦?fàn)栔Z說(shuō)，電池概念的微堆、密封和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心基于成熟的核技術(shù)，包括美國(guó)陸軍試驗(yàn)開(kāi)發(fā)小型移動(dòng)反應(yīng)堆(SMR)的戰(zhàn)術(shù)準(zhǔn)備，以及NASA新的原型系統(tǒng)(如KiloPower)。

布翁焦?fàn)栔Z說(shuō)，“十年前，這種電池只是個(gè)‘白日夢(mèng)’，但它們的構(gòu)建模塊技術(shù)已經(jīng)成熟到可信的程度，今天有獨(dú)特的機(jī)會(huì)。”

雖然這個(gè)聯(lián)盟在其核電池的設(shè)計(jì)方面沒(méi)有提供任何信息，但就提議要開(kāi)發(fā)什么，提供了某些概括性的信息。未來(lái)的挑戰(zhàn)包括總體設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和合格的燃料、傳熱機(jī)制和安全設(shè)計(jì)綜述。

據(jù)這個(gè)聯(lián)盟說(shuō)，核電池就在20英尺長(zhǎng)集裝箱的重屏蔽容器內(nèi)，幾乎能自動(dòng)地“運(yùn)行”，只有簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)和最低的維護(hù)需求。在滿足NRC的安全標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也能強(qiáng)健地抵御極端外部條件。這意味著它們可以在較短時(shí)間內(nèi)完成必要的監(jiān)管測(cè)試和審評(píng)，大型核反應(yīng)堆通?；ㄙM(fèi)的時(shí)間要長(zhǎng)得多。

圖2 核電池及其發(fā)電機(jī)概念圖像

布翁焦?fàn)栔Z說(shuō)，“令人興奮的是，雖然傳統(tǒng)核反應(yīng)堆發(fā)展模式需要10年甚至更多時(shí)間，甚至超過(guò)100億美元，但這種微堆的第一個(gè)原型，堆芯也只有‘人’的大小，可在幾年內(nèi)造出來(lái)，開(kāi)發(fā)成本小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，不到1億美元。”

核電池可以為工廠、住宅區(qū)、制氫裝置和貨船推進(jìn)等大型市場(chǎng)提供熱能和電力。此外，還可用于島嶼上的海水淡化和防洪泵等特殊位置;集裝箱式農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品;便攜式數(shù)據(jù)中心;便攜式生物制藥，甚至給月球和火星上的宇宙飛船和基地提供動(dòng)力。

要讓這么激進(jìn)的事業(yè)結(jié)出碩果，需要建立真實(shí)的成本模型。在ANPEG的模型中，核電池能源的供應(yīng)商將根據(jù)最終用戶的需求“定制”其服務(wù)，保證在這段時(shí)間以給定的價(jià)格供熱和供電。這個(gè)供應(yīng)商將在場(chǎng)外安全地更換核燃料。可以證明，核電池不依賴電網(wǎng)而且運(yùn)營(yíng)開(kāi)支很少，其電價(jià)能與電力和熱力公用事業(yè)公司的收費(fèi)相競(jìng)爭(zhēng)。

新型核能范式?

布翁焦?fàn)栔Z認(rèn)為，核電池的發(fā)展是他過(guò)去五年研究工作“合乎邏輯的結(jié)果”。2016-2018年，他領(lǐng)導(dǎo)了《MIT能源倡議》下的“碳約束世界核能的未來(lái)”研究[9]，認(rèn)真審視了核能在西方經(jīng)濟(jì)體中開(kāi)發(fā)和部署日益困難。最基本的調(diào)研成果是，要把核能作為脫碳的手段，成功地部署取決于控制新堆的建造成本。

他說(shuō)，“這讓我開(kāi)始思考如何改變這種范式。”“核能必須從昂貴而漫長(zhǎng)的大型建設(shè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)變?yōu)榱畠r(jià)的即時(shí)服務(wù)。只有在規(guī)模和技術(shù)上發(fā)生根本性變化，才能實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變。”

一年前，布翁焦?fàn)栔Z開(kāi)始接觸潛在的合作者、研究人員以及工業(yè)和政府的相關(guān)人士;他們已認(rèn)識(shí)到電池與成熟核技術(shù)的潛力。布翁焦?fàn)栔Z自詡為“催化劑”，將30個(gè)人快速組成一個(gè)正式的組織。

ANPEG的前進(jìn)道路

到今年年底，ANPEG將確定電池的監(jiān)管要求，推進(jìn)市場(chǎng)準(zhǔn)備的最佳商業(yè)模式。下個(gè)階段將聚集核電池制造商、運(yùn)營(yíng)商和公用事業(yè)公司，為建造、部署和運(yùn)營(yíng)這個(gè)電池“群”做好準(zhǔn)備。此后，將在某個(gè)國(guó)家能源實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建并試驗(yàn)一個(gè)核電池原型裝置。

有布翁焦?fàn)栔Z所謂的“潛在的阻礙因素”，例如，經(jīng)濟(jì)潮流轉(zhuǎn)移或安全問(wèn)題。但是有個(gè)壓倒性、令人信服的理由向前推進(jìn)：現(xiàn)在就開(kāi)始轉(zhuǎn)向無(wú)碳能源生產(chǎn)。布翁焦?fàn)栔Z說(shuō)，“對(duì)于核電池，我們談?wù)摰牟皇菐资辏俏迥?，這就是為什么說(shuō)它是個(gè)‘游戲規(guī)則的改變者’的原因。”

圖3 西屋公司：伊-達(dá)芬奇(eVinci)小型模塊式反應(yīng)堆概念設(shè)計(jì)圖像

其他的努力，包括美國(guó)國(guó)防部(DOD) 在今年3月22日說(shuō)，它已對(duì)兩個(gè)團(tuán)隊(duì)執(zhí)行合同選項(xiàng)，一個(gè)由BWXT先進(jìn)技術(shù)公司領(lǐng)導(dǎo)，另一個(gè)由X能源公司領(lǐng)導(dǎo)，繼續(xù)開(kāi)發(fā)可運(yùn)輸?shù)南冗M(jìn)微堆原型裝置的最終設(shè)計(jì)。

這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)選自“初步設(shè)計(jì)競(jìng)賽”，每個(gè)團(tuán)隊(duì)都將在DOD《戰(zhàn)略能力辦公室》(SCO)倡議下的“貝利項(xiàng)目”內(nèi)繼續(xù)獨(dú)立開(kāi)發(fā)。

2022年初，經(jīng)最終設(shè)計(jì)審查并按國(guó)家環(huán)保政策法案完成環(huán)境分析后，可能選擇這兩家公司的一家建造并演示一個(gè)原型裝置。

這個(gè)反應(yīng)堆要能承受比正常運(yùn)行更極端的條件，要通過(guò)直接試驗(yàn)表明，沒(méi)有超出故障極限。可為后續(xù)階段的廣泛商用設(shè)施提供信心。

先進(jìn)核燃料商業(yè)化再循環(huán)與加工能力

奧克洛公司(OKLO)正在與美國(guó)能源部(DOE)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ANL)合作，推進(jìn)電精煉技術(shù)，為先進(jìn)堆生產(chǎn)核燃料。

這項(xiàng)技術(shù)將有助于降低先進(jìn)堆設(shè)計(jì)的燃料成本，同時(shí)借助“乏”核燃料轉(zhuǎn)化為先進(jìn)堆的核燃料，減少核廢物量。

OKLO公司宣布，US DOE通過(guò)技術(shù)商業(yè)化基金(TCF)支持，提供200萬(wàn)美元成本分擔(dān)獎(jiǎng)勵(lì)。OKLO再投資100萬(wàn)美元，與US DOE和ANL開(kāi)展這項(xiàng)公私合作研究。TCF項(xiàng)目將利用電精煉技術(shù)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)核燃料再循環(huán)能力商業(yè)化[10]。

圖4 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高溫處理裝置的概念圖像。

電解精煉工藝有助于降低先進(jìn)堆核燃料的成本。熱堆利用燃料的一小部分能量，而快堆與電精煉相結(jié)合，可以釋放燃料中剩余的、未開(kāi)發(fā)能量，同時(shí)減少?gòu)U料的體積和放射性的壽期。

OKLO公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運(yùn)營(yíng)官卡羅琳·科克倫(Caroline Cochran)說(shuō)，“我們很自豪，因?yàn)楸贿x中，加速先進(jìn)核燃料再循環(huán)和開(kāi)發(fā)的商業(yè)化，并把清潔能源快速、經(jīng)濟(jì)高效地推向市場(chǎng)。”

科克倫還說(shuō)，“核燃料的能量密度比其他能源高幾百萬(wàn)倍，最關(guān)鍵的是給人類提供最便宜的清潔能源。”“‘用過(guò)的’核燃料中蘊(yùn)藏著巨大的能量，可以給世界提供清潔的能源。”

美國(guó)能源部對(duì)工業(yè)伙伴的承諾，有助于推動(dòng)有前景技術(shù)的商業(yè)化。

OKLO公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官雅各布·德威特(Jacob DeWitte)說(shuō)，“這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)展示能源部?jī)?yōu)先支持私營(yíng)部門，把下一代裂變技術(shù)推向市場(chǎng)。”此外，這種公私伙伴關(guān)系能為美國(guó)的“乏”的(即“用過(guò)的”)核燃料轉(zhuǎn)化為清潔能源提供商業(yè)機(jī)會(huì)。

愛(ài)達(dá)荷實(shí)驗(yàn)室園區(qū)OKLO公司微堆裝置廠址“許可證”

圖5 OKLO公司極光(Aurora)核電廠的藝術(shù)效果圖

2020年6月，NRC接受了OKLO公司微堆設(shè)計(jì)取照審查的申請(qǐng)，同意審查1.5 MW微堆設(shè)計(jì)的聯(lián)合許可申請(qǐng)。

OKLO 公司的微堆名為“極光”，是個(gè)先進(jìn)的裂變動(dòng)力系統(tǒng)，包括小堆和集成的太陽(yáng)能電池板。極光微堆使用液態(tài)金屬核燃料，把裂變熱能從堆芯傳輸?shù)蕉伟l(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)生約1.5 MW的動(dòng)力。

擬議中的極光設(shè)計(jì)，使用熱管將堆芯的裂變熱能傳輸給超臨界二氧化碳動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，發(fā)電。

OKLO公司說(shuō)，極光裝置的預(yù)算安排是，建設(shè)約需1000萬(wàn)美元，每年運(yùn)行的預(yù)算為300萬(wàn)美元。

至于燃料循環(huán)的成本，OKLO公司說(shuō)，鑒于反應(yīng)堆和燃料循環(huán)的類型，許可證有效期為20年，堆芯只需裝料一次。極光裝置將用于供熱和發(fā)電。

結(jié)語(yǔ)

面對(duì)急迫的氣候危機(jī)和能源轉(zhuǎn)型，全球各界都在尋求“萬(wàn)全之策”。但從本質(zhì)上講，最經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、有彈性的能源未來(lái)是局域性和分布式的;從總體上講是太陽(yáng)能、風(fēng)能+儲(chǔ)能的無(wú)碳排放的清潔能源系統(tǒng)。但儲(chǔ)能有各種形式，問(wèn)題在于采用什么樣的儲(chǔ)能最經(jīng)濟(jì)、安全而且可靠。

有核和希望有核的國(guó)家，不會(huì)放棄核能追求，問(wèn)題在于它的經(jīng)濟(jì)性。MIT及美國(guó)科學(xué)界主張開(kāi)發(fā)先進(jìn)核能系統(tǒng)，提出了“核電池”概念，這在西方經(jīng)濟(jì)體有堅(jiān)實(shí)的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。原來(lái)的第三代、第四代核能系統(tǒng)，看來(lái)走不下去或者“困難重重”，走“微堆”核電池道路是穩(wěn)妥的，也有可能實(shí)現(xiàn)乏核燃料再循環(huán)，解決鈾資源短缺問(wèn)題……

“核電池”可能具有下列屬性[11]，因而有強(qiáng)大的“生命力”：

圖6 (裂變)核電池的屬性

經(jīng)濟(jì)性：對(duì)于特定領(lǐng)域的特定應(yīng)用，與其他分布式能源(電和熱)在成本上具有競(jìng)爭(zhēng)力。這就要跨越多個(gè)應(yīng)用的靈活部署與其他能源的集成，實(shí)現(xiàn)多種分布式的能源系統(tǒng)。

標(biāo)準(zhǔn)化：在開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)模、功率輸出與制造過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)通用和工廠生產(chǎn)。這會(huì)降低成本，生產(chǎn)更可靠的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更快的資格認(rèn)證。

安裝：便于安裝投用和用后拆卸。用后可以通過(guò)重新裝入新核燃料或負(fù)責(zé)任地處置回收，實(shí)現(xiàn)再循環(huán)。

無(wú)人值守：無(wú)人值守的情況下安全運(yùn)行，提供需求驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力。

可靠性：系統(tǒng)和技術(shù)必須高度可靠，提供較長(zhǎng)的使用壽命，支持大規(guī)模部署應(yīng)用。支持遠(yuǎn)程監(jiān)控概念，必須牢固、有彈性、容錯(cuò)和持久，需要更換時(shí)預(yù)先有“告示”。

資料與注釋：

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

2 Dan Yurman (djysrv), MIT Public/Private Partnership Expands Effort to Develop a 10MWe ‘Plug-and-Play’ Nuclear Battery, Neutron Bytes, June 27, 2021

3 Leda Zimmerman, A nuclear battery-powered boost, Nuclear Science & Engineering at MIT, February 2021

4 James Conca, What Would Nuclear Batteries Do For Us? Forbes, Jan 25, 2021

5 Leda Zimmerman, A nuclear battery-powered boost, MIT NSE, February 2021

6 Amit Lal & James Blanchard, The Daintiest Dynamos, TEEE SPECTRUM,01 Sep 2004

7 ANPEG, Advanced Nuclear and Production Expert Group. https://anpeg.mit.edu/

8 INL, Fission Battery Initiative, https://nuc1.inl.gov/SitePages/Fission%20Battery%20Initiative.aspx;

9 MIT EI, The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World, AN INTERDISCIPLINARY MIT STUDY(2018)

10 ANL, RECYCLING USED NUCLEAR FUEL FOR A SUSTAINABLE ENERGY FUTURE, Pyroprocessing Technologies, 2018

11 INL, Fission Battery Initiative, INL/EXT-21-61275, January 2021