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“核电池”是提供无碳能源的“新途径”?

2021-07-13 14:12:50 5e   作者: 镜清 编写  

美国麻省理工学院(MIT)新闻办公室的大卫·钱德勒(David L. Chandler),6月下旬就美国核专家在《The Bridge》杂志提出的微堆型“核电池”概念及有关问题,采访了其作者之一、MIT的雅格布·布翁焦尔诺教授,发表了典型格式的《三问》……[1]

布翁焦尔诺教授和其他人说,工厂建造的微堆,用卡车运到使用地点,对于电力系统脱碳,可能是个安全、有效的选择。

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麻省理工学院(MIT)的这幅“核电池”概念图,展示重要部件,如仪器和控制模块、反应堆和电源模块。

一群核专家最近在美国国家工程学院的期刊《The Bridge》上表示,核能现在可能正频临一种新的范式。 他们说,就像大型、昂贵、集中式计算机让位于现今、广泛分布式的个人电脑(PC)一样,相对小型、廉价、工厂建造的新一代反应堆即将问世,其设计目的类似于插上个超大型的蓄电池,实现自动的“即插即用”。

这种拟议中的系统可以为工业过程提供热能,为军事基地或社区提供电力,在无人看管的情况下运行5至10年以上,然后用拖车运回工厂更换核燃料,整修后再用。 作者:雅格布·布翁焦尔诺(Jacopo Buongiorno),MIT核科学与工程系的 TEPCO(东京电力公司)教授;罗伯特·弗里达(Robert Frida),GenH公司的创始人之一;史蒂文·奥美尔(Steven Aumeier ),爱达荷国家实验室的核专家;凯文·奇尔顿(Kevin Chilton),退休的美国战略司令部司令, 他们把这种小型核发电装置称为“核电池”。他们认为,由于这种装置运行简单,能在全球电力系统脱碳、避免灾难性气候变化方面发挥重要作用。《MIT新闻》就请布翁焦尔诺教授简单描述他们团队的“提案”。 以下是MIT典型格式的《三问》。

问:小型模块化核反应堆“概念”已经讨论了好几年了。 是什么使“核电池”的提案“与众不同”?

答:我们描述的这种装置,使“工厂制造”和“模块化”概念达到“极致”。 早些时候的提议,考虑的是发电量在100-300 MW的反应堆,是传统的GW级大型核反应堆出力的1/10。这种规模的反应堆,可以用工厂生产的部件组装,但仍需要现场进行某些组装和大量的现场准备工作。 所以,它是对传统核电机组的改进,但并没有改变游戏规则。

这个“核电池”概念则完全不同,因为这种设备的实体尺寸和输出功率大约是10 MW。 它如此之小,以至于整个发电装置实际上是在工厂内建成的,而且可装在标准的集装箱内。

从经济角度来看,它有几个好处。 部署这种“核电池”需要管理大型的建筑工地,而这是过去20年来核项目进度延误和成本超支的主要原因。

部署“核电池”速度很快,比如几周之内就能成为“按需服务”的能源。可以把核能视为“产品”,而不是个“大型项目”。

问:你提到这种装置有可能会广泛部署,甚至在居民区为整个社区供电。人们对这种核电装置的安全有多大信心?

答:正在开发的许多“核电池”设计,非常坚固, 实际上是这项技术的“销售特色”之一。 实体尺寸小,在很多方面有助于安全。 首先,停堆后,需要排除的剩余发热量很小。 其次,堆芯的表面积与体积之比很大,在任何情况下更容易保持核燃料冷却,无需任何外部的干预。这种系统本质上是“自顾自”的。

第三,这种反应堆周围还有个非常紧凑和坚固的钢安全壳,以防止放射性物质释放到外部环境。 为了加强安全,我们设想,在大多数场址,这种“核电池”将设在地下,以提供附加的防护,免遭“特攻部队”攻击。

问:怎么知道这种新型反应堆能正常运行,还需要有什么才能使这类的装置广泛使用?

答:美国航空与航天局(NASA)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL),三年内(2015-2018年)从设计、制造和测试,演示了一个空间应用的微堆。利用能源部可用的核技术基础设施,成本为2000万美元。 这个成本和进度,比传统的、大型核电机组小几个数量级。后者很容易花费几十亿美元,要5到10年的时间才能建成。

美国现有六家公司在开发自己的设计[2]。 例如,西屋公司正在研究的“核电池”(指伊·达芬奇),利用热管技术冷却,计划三年内运行一个示范装置。 它就是国家实验室现场的一个小型试验装置,例如,爱达荷国家实验室就有很多设施,正在修改,以适应对这种小型反应堆进行强度测试。

例如,这种反应堆可以经受比正常运行中遇到的更为极端的条件,并且通过直接测试证明,没有超过故障极限。 这就为后续阶段、广泛商用的设施提供了信心。

这种“核电池”,最适宜为每个经济部门创建“弹性”,可以放在最需要“动力”的地方,通过提供稳定、可靠的无碳电力和热能资源,从而减少昂贵和专用的能源传输和存储基础设施。 如果这些变得像我们预想的那样普及,它们将为减少世界温室气体排放做出重大贡献。

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结语

面对全球性的气候危机和能源转型,美国与世界的核专家都在为核电的未来“呐喊”,但收效甚微。其实,核能主要是经济问题。在可预测的未来,即使没有任何补贴,最流行的“太阳能+风能+储能”组合选项的经济成本,也容易低于最便宜的燃煤电厂……

世界核能寄希望于中国。现在的世界,只有中国有能力每年开建5-10台大型核电机组。但是,沿海场址有限,单一场址的功率容量和环境容量也有限。更重要的是大型核电机组的“调峰”和“负荷跟踪”能力差,极不适宜频繁地、大幅度地升降负荷。美国有90多台大型核电机组,年负荷容量因子高达92%以上,其保持安全的秘密就在于长期带“基荷”运行。大型核电机组经不起时常地“折腾”。如果核电基地(多台大型机组)的“出力”消化不了,自身又没有适当的“出路”,宁肯减少出力,也要保持稳定、带“基荷”运行……

目前,世界核电最急迫的任务是“推陈出新”,适应客观、外在要求,在改变核电“自身”上迈出新的一步。就此而论,把“微堆”当成打通国内、外核电市场“特定需求”的新途径,让“核电池”成为单台“设备”,“即插即用”,而不是实施多年、动辄上百亿的巨大工程,很可能成为“游戏规则的改变者”。美国新任能源部长把新堆“部署”放在首位,私营公司OKLO能源的极光(Aurora )微堆已在2020年2月向NRC提交建造与运行许可设计申请。根据NRC的安排,经批准后,就能在爱达荷国家实验室科技园区现场不到一年时间,建成这种示范核电装置。微堆会有很好的示范作用。

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美国OKLO公司的极光(Aurora)核电装置艺术效果图

资料与注释:

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




责任编辑: 李颖

标签: “核电池” 无碳能源

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