美國實(shí)施ARPA-E規(guī)劃：推進(jìn)先進(jìn)堆技術(shù)與乏核燃料“再循環(huán)”

美國能源部先進(jìn)能源研究項(xiàng)目局(ARPA-E)“定位”獨(dú)特，專事資助先進(jìn)能源技術(shù)研究。從2007年創(chuàng)立以來，圍繞先進(jìn)核能技術(shù)研發(fā)推出多個(gè)規(guī)劃。最近引人關(guān)注的是“優(yōu)化核廢料與先進(jìn)堆處置系統(tǒng)”規(guī)劃，包括給新墨西哥州立大學(xué)提供資助，編制乏(核)燃料(又稱“用過的”燃料)再循環(huán)計(jì)劃。

1. 引子：新墨西哥州立大學(xué)利用DOE撥款參與合作

據(jù)最近報(bào)道，美國新墨西哥州立大學(xué)(NMSU)正在與泰拉能源公司、愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室(INL)和薩凡納河國家實(shí)驗(yàn)室(SRNL)合作，執(zhí)行為期三年的科研項(xiàng)目，以制定乏核燃料再循環(huán)計(jì)劃[1,2]。這個(gè)項(xiàng)目利用能源部(DOE)先進(jìn)能源研究項(xiàng)目局(ARPA-E)的850萬美元資助，隸屬于“優(yōu)化核廢料和先進(jìn)堆處置系統(tǒng)”(ONWARDS)規(guī)劃。項(xiàng)目的目的是把核電機(jī)組運(yùn)行卸出的乏核燃料，作為可靠、清潔的能源，增加核能利用，并限制先進(jìn)堆產(chǎn)生的廢物數(shù)量。這種方法的要點(diǎn)在于：既可防止燃料用于武器裝備，又有助于滿足可持續(xù)電力需求。

新墨西哥州立大學(xué)教授科里·溫多夫(Cory Windorff，左)和保羅·安德森(Paul Andersen，右)。

NMSU化學(xué)與材料工程副教授保羅·安德森說，“核能有很多優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)之一是產(chǎn)生放射性廢料。”“源自核電站的大部分乏核燃料仍然含有大量能源，由于積累了裂變產(chǎn)生的放射性物質(zhì)而不能利用。因此，我們提出一個(gè)核廢料再循環(huán)、再利用工藝流程，以獲得更多能源，也能更容易處置剩余的核廢物。”

化學(xué)反應(yīng)器：這個(gè)再循環(huán)項(xiàng)目建立在兩位新墨西哥州大學(xué)教授，即化學(xué)與材料工程副教授安德森和化學(xué)與生物化學(xué)助理教授科里·溫多夫研究的基礎(chǔ)上。目前他們正在計(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)“化學(xué)反應(yīng)器”，用來“純化”先進(jìn)堆燃料循環(huán)的乏燃料，從而減少核廢料的積累，同時(shí)使廢料可重復(fù)利用。

溫多夫說，“如果能使現(xiàn)有的、新產(chǎn)生的乏核燃料‘再循環(huán)’，那么就不必開采更多鈾礦了，這是好事。”“本來這種核廢物，是要發(fā)送到WIPP(The Waste Isolation Pilot Plant)那種地方去的。”

WIPP即美國“廢物隔離中試設(shè)施”，是當(dāng)前美國唯一的長壽命放射性廢物深地處置庫。它就位于新墨西哥州卡爾斯巴德(Carlsbad)東南26英里處，地下2150英尺古老鹽層中，用于永久隔離早年軍事防御產(chǎn)生的超鈾元素廢物。NMSU運(yùn)營卡爾斯巴德環(huán)境監(jiān)測與研究中心，負(fù)責(zé)進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)測，以評估WIPP對人類健康和環(huán)境的影響。NMSU參與此項(xiàng)目，這可能是原因之一。

在核廢物管理方面，處置有嚴(yán)格的定義，即不得再次“移動(dòng)”。但后來技術(shù)發(fā)展變得即使經(jīng)“處置”后的核廢物包，如果需要，也可“回取”，另行“處置”。

商用化：有ARPA-E的資助，安德森和溫多夫打算聘用兩名博士后研究人員，與泰拉能源、INL和SRNL的研究人員合作，進(jìn)行他們的化學(xué)“反應(yīng)器”概念的深入技術(shù)開發(fā)。據(jù)安德森說，“在這個(gè)為期三年的項(xiàng)目之后，可能會有幾輪融資。這是第一步，希望經(jīng)多步后能最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或工藝的商用化。”

未來三年的大部分工作將涉及準(zhǔn)備性研究，更好地理解擬議的再循環(huán)工藝。溫多夫說，“在擴(kuò)大規(guī)模之前，需要了解這個(gè)工藝如何運(yùn)作。”“一旦理解了，這個(gè)工藝很容易商用化。”

安德森認(rèn)為，由于新墨西哥州在核能領(lǐng)域的歷史作用，“NMSU大力參與下一代核燃料循環(huán)很有意義”。核燃料循環(huán)指開采、凈化和濃縮鈾，使之成為用于反應(yīng)堆發(fā)電的燃料，以及放射性廢物處理和處置。安德森澄清說，NMSU并沒有參與核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)(新墨西哥大學(xué)正在努力)，只是改進(jìn)乏核燃料的“前-后端產(chǎn)生的各種物質(zhì)”的工藝過程。安德森和溫多夫正在研究這個(gè)工藝過程的化學(xué)和化學(xué)工程方面，不一定是核方面。

NMSU與泰拉能源公司的合作關(guān)系也為學(xué)生參與國家實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目提供了可能性。溫多夫說，“這種合作使我們的聯(lián)系變得多樣化了。有學(xué)生，就可派到他們那里去。” 安德森解釋說，“泰拉能源和INL對NMSU的學(xué)生去那里工作非常感興趣。”這會擴(kuò)大大學(xué)參與全國的研究。

2. DOE為先進(jìn)堆燃料循環(huán)管理研發(fā)提供資金[3]

ARPA-E已為11個(gè)項(xiàng)目提供了總計(jì)3600萬美元，用于開發(fā)技術(shù)，限制先進(jìn)堆產(chǎn)生核廢物的數(shù)量，并支持國內(nèi)核燃料庫存的可持續(xù)性。這些項(xiàng)目包括對各種先進(jìn)堆燃料循環(huán)產(chǎn)生的乏燃料進(jìn)行后處理、再循環(huán)，以及處置所需的設(shè)施和系統(tǒng)的研究。

ARPA-E的首次嘗試：去年推出的“優(yōu)化核廢料與先進(jìn)堆處置系統(tǒng)”(Optimizing Nuclear Waste and Advanced Reactor Disposal Systems，ONWARDS)，是ARPA-E推進(jìn)先進(jìn)堆乏燃料管理的首次嘗試。致力進(jìn)行開環(huán)(一次通過)與閉環(huán)(后處理)燃料循環(huán)管理，目的首先針對輕水堆，并減少先進(jìn)堆產(chǎn)生的核廢物數(shù)量。這項(xiàng)基金于2021年5月發(fā)布。

ONWARDS各團(tuán)隊(duì)將在三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域開展研發(fā)：

■工藝：乏燃料再循環(huán)改進(jìn)，顯著減少廢物量，提高內(nèi)在的防擴(kuò)散能力，提高資源利用率，促進(jìn)先進(jìn)堆商用化。

■核保障措施：改進(jìn)傳感器和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，準(zhǔn)確、及時(shí)地進(jìn)行核材料衡算。

■廢物形式：為所有類型的先進(jìn)堆開發(fā)高性能的核廢物形式，重點(diǎn)是跨越多個(gè)反應(yīng)堆類型和處置環(huán)境，而且是在所需時(shí)間尺度上安全和穩(wěn)定的廢物形式。

資助項(xiàng)目：

獲資助者及其研究領(lǐng)域如下：

▲楊百翰大學(xué)(猶他州，Provo)：減少分離過程的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，減少乏燃料的廢物量。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：90萬美元)

▲黃水晶信息公司(加州，Redwood City)：使用人工智能和基于物理模擬的方法，開發(fā)持久的廢物形式，以顯著減少熔鹽堆(MSR)的處置庫負(fù)擔(dān)。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：300萬美元)

▲深隔離公司(加州，Berkeley)：建立通用的性能標(biāo)準(zhǔn)和罐式系統(tǒng)，以最大限度地減少乏燃料和廢物管理的長期成本。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：360萬美元)

▲通用電氣全球研究公司(紐約州，Niskayuna)：研發(fā)能在后處理核設(shè)施中運(yùn)行的核保障衡算系統(tǒng)。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：450萬美元)

▲INL(愛達(dá)荷州，Idaho Falls)：正在開發(fā)基于現(xiàn)有商用熱分離技術(shù)的金屬燃料再循環(huán)工藝，可增加金屬燃料再循環(huán)的商業(yè)可行性。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：200萬元)

▲奧克勞公司(加州，Sunnyvale)：研究乏燃料再循環(huán)設(shè)施的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)可行性。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：400萬元)

▲奧拉諾聯(lián)邦服務(wù)公司(北卡羅來納州，Charlotte)：開發(fā)一種處理系統(tǒng)，旨在處理不同類型先進(jìn)堆乏燃料處理設(shè)施釋放的廢氣。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：200萬美元)

▲羅格斯大學(xué)(新澤西州，New Brunswick)：提供一種可擴(kuò)展的方法，將乏核燃料變成高密度、耐用的金屬陶瓷(耐熱陶瓷和金屬復(fù)合材料)。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：400萬元)

▲倫斯勒理工學(xué)院(紐約州，Troy)：專注提供有效管理復(fù)雜氟鹽廢物流的解決方案，促進(jìn)先進(jìn)堆燃料循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：607500美元)

▲石溪大學(xué)(紐約州，Stony Brook)：提高燃料利用率，減少鈾裝載量，顯著降低先進(jìn)堆的廢物負(fù)擔(dān)。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：340萬美元)

▲泰拉能源公司(華盛頓州，Bellevue)：基于氯化物鹽在高溫下?lián)]發(fā)的綜合安全核保障，提出從乏燃料中回收鈾的方法。(獎(jiǎng)勵(lì)金額：860萬美元)

清潔能源：美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆(Jennifer Granholm)說：“開發(fā)安全管理核廢料的新方法，將使我們能用無碳核能為美國更多的家庭和企業(yè)提供動(dòng)力。”“ARPA-E正在通過支持那些正在研究下一代技術(shù)的公司和大學(xué)，使先進(jìn)堆現(xiàn)代化，并加強(qiáng)國家的清潔能源企業(yè)實(shí)力。”

3. 改造核工業(yè)的三個(gè)早期研發(fā)規(guī)劃[4]

核能正在改變面貌，可在支持世界向清潔能源過渡方面發(fā)揮巨大作用。

先進(jìn)堆概念加強(qiáng)了多功能性，能更便宜地建造和運(yùn)行。

幾十家美國公司正在研究第四代反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，規(guī)模很快會各不相同。這些反應(yīng)堆增強(qiáng)了多功能性，并能更便宜地建造和運(yùn)行。其中某些甚至有助于減少必須永久處置的乏燃料的數(shù)量。

但為了實(shí)現(xiàn)這種潛質(zhì)，反應(yīng)堆研發(fā)人員需要在失去關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和供應(yīng)鏈之前，幫助降低這些清潔能源技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。

ARPA-E專注支持還處于早期階段的新能源技術(shù)，使之有可能從根本上改變美國人獲取、使用和儲存能源的方式。

以下三個(gè)ARPA-E規(guī)劃，有助于使先進(jìn)核技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。

Ⅰ. 通過MEITNER降低先進(jìn)堆的基建成本[5]

核工業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一，是按時(shí)和按預(yù)算建設(shè)新的核電廠。ARPA-E的MEITNER(Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration)規(guī)劃確定和研發(fā)新技術(shù)，幫助降低建造先進(jìn)堆系統(tǒng)的成本。

選定了十個(gè)項(xiàng)目，開發(fā)新的“賦能”技術(shù)。這些創(chuàng)新包括通過新的模塊化或先進(jìn)制造技術(shù)降低基建成本;通過機(jī)器人、自動(dòng)控制和先進(jìn)傳感器降低運(yùn)營費(fèi)用。

所有這些項(xiàng)目都可幫助美國國內(nèi)核供應(yīng)鏈實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，并使新的核電裝置在財(cái)政上更具建設(shè)和運(yùn)營的吸引力。

相關(guān)項(xiàng)目先后有變化。包括源自加拿大陸地能源公司(Terrestrial Energy)的一體化熔鹽堆(IMSR)用磁懸浮屏蔽轉(zhuǎn)子泵，以及源自英國Moltex能源公司的穩(wěn)定鹽反應(yīng)堆廢物燃燒器(SSR-W)復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)[6,7]。

Ⅱ.通過GEMINA降低先進(jìn)堆的運(yùn)行/維修成本[8]

盡管核工業(yè)提供了美國一半以上的清潔能源，但是美國核反應(yīng)堆群近1/4正在經(jīng)歷財(cái)政困難。

大約80%的反應(yīng)堆發(fā)電總成本歸因于運(yùn)行和維護(hù)(O&M)費(fèi)用。ARPA-E的GEMINA(Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets)規(guī)劃有希望大幅度削減先進(jìn)堆發(fā)電裝置的固定運(yùn)維成本，把它降低到目前的1/10。

目前有9個(gè)項(xiàng)目正在開發(fā)“數(shù)字孿生”或類似的技術(shù)，用于先進(jìn)堆設(shè)計(jì)。各個(gè)團(tuán)隊(duì)正在利用人工智能、先進(jìn)控制系統(tǒng)、預(yù)防性維護(hù)和其他前沿突破，幫助優(yōu)化先進(jìn)核電裝置設(shè)計(jì)的運(yùn)維規(guī)程。

總體目標(biāo)是把先進(jìn)堆群的運(yùn)維成本固定在接近$2/MWh的水平，最終使先進(jìn)核電裝置更經(jīng)濟(jì)、靈活、高效。

相關(guān)項(xiàng)目包括源自英國Moltex能源公司，將為其穩(wěn)定鹽反應(yīng)堆-廢物燃燒器(SSR-W)開發(fā)一個(gè)多物理裝置數(shù)字孿生環(huán)境[9]。

Ⅲ. 通過ONWARDS減少先進(jìn)堆乏核燃料的數(shù)量

最后，ARPA-E的“向前推進(jìn)”計(jì)劃旨在開發(fā)突破性技術(shù)，幫助促進(jìn)將永久處置所需的乏燃料體積減少到1/10。

11個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)是改進(jìn)燃料再循環(huán)、核材料衡算的核保障措施，開發(fā)跨多個(gè)反應(yīng)堆類別的高性能廢物形式。

ONWARDS規(guī)劃將先進(jìn)堆廢物形態(tài)的后端總體處置成本控制在$1/MWh范圍內(nèi)。

ARPA-E最近啟動(dòng)了一個(gè)單獨(dú)的規(guī)劃即CURIE，專注于改進(jìn)現(xiàn)有反應(yīng)堆后處理乏核燃料方法。這些努力不僅可以減少需要處置的乏燃料的數(shù)量，還可為新型快堆設(shè)計(jì)提供穩(wěn)固的國內(nèi)原料供應(yīng)。

預(yù)計(jì)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將于2022年10月選定。

Ⅳ. 跨部門的方法

ARPA-E只是美國能源部支持開發(fā)和部署先進(jìn)堆技術(shù)的幾個(gè)“辦公室”之一。

核能辦公室(NE)致力于通過若干舉措實(shí)現(xiàn)先進(jìn)堆部署，其中包括先進(jìn)堆示范規(guī)劃，旨在未來15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)堆設(shè)計(jì)的成熟和示范。

NE為研究、開發(fā)和示范項(xiàng)目提供資金，以降低先進(jìn)核技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高核能在應(yīng)對國家經(jīng)濟(jì)、能源安全和環(huán)境挑戰(zhàn)方面的貢獻(xiàn)。

4. CURIE：把“乏核燃料”中的錒系元素轉(zhuǎn)化為能源[10]

在ARPA-E規(guī)劃系列內(nèi)，CURIE規(guī)劃(Converting UNF Radioisotopes Into Energy)，公布日期是2022年3月15日，現(xiàn)已生效;項(xiàng)目數(shù)有待確定。

規(guī)劃說明

美國已經(jīng)從運(yùn)行的輕水堆(LWR)中積累了約8.6萬噸用過的核燃料(UNF)，即乏燃料，這個(gè)數(shù)值每年還要增加2000噸。盡管90%以上的能源仍然存在UNF內(nèi)，但注定要做永久性處置。對UNF進(jìn)行后處理，回收可重復(fù)使用的錒系元素，并將其作為先進(jìn)堆的新燃料再循環(huán)，將提高核燃料的利用率，并大大減少需要永久處置的廢物量。CURIE規(guī)劃尋求開發(fā)創(chuàng)新的分離技術(shù)、材料衡算和在線監(jiān)測技術(shù)，以及后處理設(shè)施設(shè)計(jì)，將使先進(jìn)堆原料的錒系元素族群得以回收，納入現(xiàn)場工藝過程監(jiān)測，使廢物量最小化，使先進(jìn)堆的燃料成本只有1¢/kWh，處置成本保持在0.1¢/kWh范圍內(nèi)。

創(chuàng)新需求

能安全、經(jīng)濟(jì)地對美國輕水堆的乏核燃料進(jìn)行后處理的創(chuàng)新技術(shù)，可大大減少需要永久處置廢物的體積、熱負(fù)荷和放射性毒性，同時(shí)為先進(jìn)快堆提供有價(jià)值和可持續(xù)的燃料原料。確定最有可能使核燃料進(jìn)行安全、經(jīng)濟(jì)的后處理，以達(dá)到這些目標(biāo)的技術(shù)類別包括：

▲后處理技術(shù)：改進(jìn)用于化學(xué)分離的乏燃料組件的準(zhǔn)備工作;氣體工藝流處理;分離技術(shù)，如水分離、高溫處理和氟化物揮發(fā)，可顯著減少廢物量，提高內(nèi)在的防擴(kuò)散能力，并提供先進(jìn)堆原料;

▲綜合監(jiān)測與核材料衡算：改進(jìn)傳感器和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，使核材料的衡算準(zhǔn)確、及時(shí);

▲設(shè)施設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析：對新穎的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行后處理設(shè)施的方法，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)和系統(tǒng)分析(例如，模塊化、設(shè)計(jì)固有的核保障、工藝強(qiáng)化)，以提高核保障能力、降低成本，并促進(jìn)后處理設(shè)施的選址和“取證”。

潛在影響

CURIE規(guī)劃，通過牢固可靠、經(jīng)濟(jì)的再循環(huán)，利用國家輕水堆的乏燃料庫存，改善美國的能源安全，有助于保護(hù)環(huán)境，并在以下方面為經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)：

安全：通過提供安全和可持續(xù)的國內(nèi)燃料庫存，支持先進(jìn)堆技術(shù)的部署。監(jiān)測能力的改進(jìn)可使各種后處理階段得到更精確的控制，同時(shí)確保關(guān)注的核材料更安全。

環(huán)境：大幅度減少國家輕水堆乏燃料庫存處置的影響，減少鈾礦開采需求，支持安全、可靠地儲存放射性廢物的綜合性國家戰(zhàn)略。

經(jīng)濟(jì)：補(bǔ)充ARPA-E現(xiàn)有的核能研究規(guī)劃組合，如先進(jìn)堆研發(fā)中的MEITNER、GEMINA和ONWARDS規(guī)劃，進(jìn)一步確保創(chuàng)新的新型先進(jìn)堆的商用可行性，通過乏燃料回收有價(jià)值的放射性核素用于不同的應(yīng)用，提供額外的稅收來源。

5. 先進(jìn)堆的特征與發(fā)展概況[11]

美國能源部核能辦公室(NE)及其國家實(shí)驗(yàn)室支持廣泛的新型先進(jìn)堆技術(shù)的研究和開發(fā)，幫助滿足國家的能源、環(huán)境和國家的核保障需求。

先進(jìn)堆的特征：

Ⅰ.輕易贏得安全——發(fā)生事故時(shí)，不需要或只需極少的操縱員干預(yù)，就能保證安全。

Ⅱ.用途廣泛——可為工藝過程、海水淡化提供熱能，也可負(fù)荷跟蹤，支持發(fā)展間歇性的新能源。

Ⅲ.核廢物再利用與處置——可大大減少需要處置的乏燃料的數(shù)量，而某些技術(shù)可使乏燃料得以“再利用”。

Ⅳ.融資能力——可采用工廠制造，使基建成本更低。

先進(jìn)堆的規(guī)模：

微堆——1-20 MW，可裝在平板卡車上，可移動(dòng)/擴(kuò)展。

小型模塊式反應(yīng)堆（SMR）——20-300 MW，單元數(shù)量可多可少。

大型反應(yīng)堆——300-1000+ MW，可提供可靠、零碳排放的基荷電源。

先進(jìn)堆類型：

先進(jìn)SMR——用水作為冷卻劑，體積比傳統(tǒng)的輕水堆(LWR)小。

液態(tài)金屬冷卻快堆——使用金屬(鈉或鉛)代替水作為冷卻劑，使冷卻劑在比現(xiàn)有反應(yīng)堆更高的溫度和更低的壓力下運(yùn)行。

氣冷堆——通過流動(dòng)的氣體來冷卻，設(shè)計(jì)用于高溫下運(yùn)行。

熔鹽堆——使用熔態(tài)氟化物或氯化物鹽作為冷卻劑。

美國民間正在開發(fā)的先進(jìn)堆項(xiàng)目表

啟示與思考

乏燃料再循環(huán)，減少最終處置的廢物量，增加核能利用效率，是國際核能界幾十年來孜孜以求的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會生態(tài)目標(biāo)，關(guān)鍵在于用何種新的技術(shù)與工藝，支撐這個(gè)夢想得以實(shí)現(xiàn)。

干法(高溫冶金)技術(shù)已經(jīng)成熟，能實(shí)現(xiàn)高熱、短壽命裂變產(chǎn)物(氣態(tài)、固態(tài))與長壽命、劇毒的阿系元素分離，使后者成為某些先進(jìn)堆的燃料，入堆再循環(huán)，減少最終處置的廢物量，增加核能利用效率，為人類提供充足、廉價(jià)的能源。

核廢物最終處置方式：相對美國“尤卡山”式的地質(zhì)處置庫，“裂變產(chǎn)物”核電現(xiàn)場或附近地表存放衰變(300-1000年)和長壽命高毒性“錒系元素污染物”深層地質(zhì)鉆孔處置(幾萬～幾十萬年)更可取。

推進(jìn)先進(jìn)堆設(shè)計(jì)，大規(guī)模部署，關(guān)鍵是安全和經(jīng)濟(jì)。但更重要的是徹底消除公眾對放射性的恐懼。只有核電機(jī)組設(shè)計(jì)上有保障，“應(yīng)急規(guī)劃區(qū)”的邊界是電廠的圍墻(或“廠區(qū)圍欄”)才能徹底消除恐懼情緒。電廠發(fā)生某些事故是難免的，關(guān)鍵是對外環(huán)境、周邊居民的健康和生活福祉不會產(chǎn)生影響。

根據(jù)現(xiàn)代核能的發(fā)展規(guī)律，先進(jìn)堆的設(shè)計(jì)和運(yùn)行還要接受實(shí)際安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的考驗(yàn)，多數(shù)會遭淘汰，只有實(shí)踐可接受的幾種能夠存活下來。就目前發(fā)展的趨勢看：

—先進(jìn)模塊式水冷堆（SMR）：最初有可能在退役燃煤電廠廠址上出現(xiàn)并發(fā)展;但因經(jīng)濟(jì)成本較高，很難長期延續(xù)下去……

—液態(tài)金屬冷卻快堆：從固體燃料制造技術(shù)和反應(yīng)堆安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本考慮，很難得以廣泛部署……

—高溫氣冷堆：無論能否能用乏核燃料分離的阿系元素制造球床燃料，都是開式(一次通過)燃料循環(huán)，只在特定需求(超高溫工藝供熱)環(huán)境，有存活的可能……

—熔鹽堆：最有發(fā)展前景的先進(jìn)堆設(shè)計(jì)，因其本身就是一個(gè)完整的“先進(jìn)堆與燃料再循環(huán)系統(tǒng)”。最初、最穩(wěn)妥、最安全的堆型是穩(wěn)定鹽反應(yīng)堆(SSR)和一體化熔鹽堆(IMSR);待設(shè)備、材料工藝過關(guān)(耐用、無故障運(yùn)行壽期足夠長)后才能廣泛部署最簡單、最經(jīng)濟(jì)的MSR，包括MCFR。

—最早運(yùn)行的熔鹽快堆：氯化物熔鹽堆試驗(yàn)裝置(MCRE)，容量0.5 MW，2025年在INL科技園區(qū)投入運(yùn)行，不發(fā)電，僅為MCFR設(shè)計(jì)取照提供運(yùn)行數(shù)據(jù)[12]。

過去不理解DOE設(shè)ARPA-E的作用和它與能源部其他部門，特別是NE(核能辦公室)各種規(guī)劃的相互關(guān)聯(lián)。受新墨西哥州立大學(xué)參與ONWARDS規(guī)劃項(xiàng)目的啟發(fā)，才慢慢理解設(shè)立這個(gè)部門，其實(shí)就是國家有意識地提供資金，用國家實(shí)驗(yàn)室積累的技術(shù)、知識、先進(jìn)研究工具，與大學(xué)、創(chuàng)投公司一起支持私營的創(chuàng)新能源公司，催熟、商用化先進(jìn)堆設(shè)計(jì)和乏燃料再循環(huán)技術(shù)，促成民營企業(yè)全面介入美國核燃料閉環(huán)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)核能、核工業(yè)全面升級轉(zhuǎn)型，進(jìn)入早先設(shè)想的“第四代”核能時(shí)代。

氣候變化、環(huán)境危機(jī)、除碳、能源轉(zhuǎn)型、地緣政治、資源供應(yīng)、俄烏戰(zhàn)爭為先進(jìn)核能發(fā)展創(chuàng)造了“緊迫性”，甚至成為北美、西歐甚至全世界發(fā)展新能源和核能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立的“動(dòng)員令”……

先進(jìn)堆與乏燃料“再循環(huán)”技術(shù)早就存在，只是在開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，尋找最經(jīng)濟(jì)、安全的解決方案。不從ARPA-E和NE項(xiàng)目全局上看，無法理解美國的戰(zhàn)略格局和其規(guī)劃項(xiàng)目目標(biāo)。系統(tǒng)地研究美國的戰(zhàn)略，會使我們在制定研發(fā)規(guī)劃、選定核能項(xiàng)目時(shí)少走彎路。

資料與注釋

[1] ANS Nuclear Cafe, New Mexico State collaborates on spent fuel recycling under

ARPA-E program, ANS, July 12, 2022

[2] Jessica Brinegar, NMSU to collaborate on $8.5 million DOE grant to reduce nuclear reactor waste, New Mexico State University, Jun 27, 2022

[3] Nuclear News, DOE funds R&D for advanced reactor fuel cycle management, ANS,

March 14, 2022

[4] DOE NE, 3 Early-Stage R&D Programs Transforming the Nuclear Industry, MAY 24, 2022

[5] DOE, Department of Energy Announces 10 Projects to Support Advanced Nuclear Reactor Power Plants, JUNE 4, 2018

[6] ARPA-E, Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration (MEITNER)

[7] ARPA-E, MEITNER=Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration

[8] DOE, DOE Announces $27 Million for Advanced Nuclear Reactor Systems Operational Technology, MAY 13, 2020

[9] ARPA-E，GEMINA—Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets, PROJECT DEscriptIONS

[10] ARPA-E, CURIE: Converting UNF Radioisotopes Into Energy, 03/15/2022

[11] DOE NE, Advanced Reactor Types, 16 01, 2019

[12] TerraPower, TerraPower and Southern Company to demonstrate the world’s first fast-spectrum salt reactor at Idaho National Laboratory, February 23, 2022