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核能的出路:从巨型工程到“即插即用”的核电池

2021-07-19 14:58:32 5e   作者: 镜清  

美国麻省理工学院(MIT)核工程教授雅格布·布翁焦尔诺(Jacopo Buongiorno)要西方发达经济体用“核电池”辅佐可再生能源(太阳能+风能)系统“脱碳”,避免灾难性气候变化[1],一时让人“摸不着头脑”。幸好,丹·尤尔曼(Dan Yurman)在《Neutron Bytes》网站上做了充实性论述[2],使人能把许多情景联系起来,加深“理解”……

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图1核电池概念图像,包括(从左到右)仪控模块、反应堆、屏蔽和热传输模块以及发电模块(MIT)

麻省理工学院(MIT)核科学与工程系(NSE)TEPCO(东京电力)教授雅格布·布翁焦尔诺,正致力于开发一种坚固、小型、轻便的核电池,可以“旁路”电网,直接向终端用户现场提供电力和热能[3,4]。

这就把离网、分布式电力和社区微电网的理念结合在一起。核电池“群”不需要新的输电线路,不需要电网升级,也不需要备用的储能。它们无需接入电网,就可支持单一设施、社区微电网,或其他当地的专门用途。

在MIT看来,当前,一个核电池约可产生10兆瓦(MW)电力和/或热能;也就是说它的能量输出,相当于一个巨大的太阳能或风力发电场,但占地面积很小。

MIT先进核能系统(CANES)中心主任布翁焦尔诺说,“核电池在地理上不受限制,可在任何纬度和任何气候下脱碳。”他说,这种分布式网络就是为了“大大减少难以电气化行业的碳排放。”它们会比国家目前依赖的老化、脆弱的电网更有弹性。

“我们的雄心很大,因为我们正在处理的问题巨大。[5] ”

核电池概念并不新鲜。早在2004年,美国防先进研究规划局(DARPA)就在研究微型电源[6]。这种设计使用美国宇航局(NASA)的放射性同位素热核发电装置(RTG),作为先进设计概念的跳板。硅谷初创公司Oklo已在去年6月向美国核管会(NRC)提交1.5 MW微堆设计的许可证申请,NRC已接受申请;它还获得在爱达荷国家实验室(INL)科技园区现场建造的厂址许可证,很有可能在2026年前后建成,成为美国多年来首个先进核反应堆……

核电池联盟的组成

2021年1月,布翁焦尔诺和美国能源部国家实验室、能源和制造业、法律和建筑公司的一群合作者宣布成立非营利的联盟,即先进核能与生产专家组(ANPEG)[7]。这个首字母缩写有意与MPEG相呼应,MPEG是数字图像和视频媒体编码的国际标准。

ANPEG是全球性的联盟,致力开发以“即插即用”微堆(或称核电池)为基础的低碳能源系统,要提供灵活、有弹性、成本效益好的能源解决方案,支持先进的生产活动、能源公平,减缓和适应气候变化。

布翁焦尔诺说,“MPEG为数字压缩和性能建立了‘即插即用’标准,大型技术公司则把它作为竞争产品的基础。”

“我们希望把同样的理念应用于核电池的开发,通过创建一套共享的标准、法规和商业模式,促进核电池设计广泛应用。”

布翁焦尔诺和联盟成员,包括麻省理工学院的科鲁什·希尔凡(Koroush Shirvan)(NSE),查尔斯·福斯伯格(Charles Forsberg)(NSE)和约翰·帕森斯(John Parsons)(MIT Sloan),他们都想在近期内对碳排放产生影响。他们认为,核电池最适合应对这个挑战。详见查尔斯·福斯伯格关于研发工作的简要报告[8],旨在解决“裂变电池”的市场和经济问题。

这个联盟没有透露任何外部投资者的名字。或许因为这个群体的负责人长期在MIT从事学术生涯,也可能他们的战略就是开发知识产权足够详细,将其授予一家公司,使之可以完成整个工程设计、获得NRC的许可并冲过终点线。

未来的成功取决于客户“所要”的设计和成本

布翁焦尔诺说,电池概念的微堆、密封和能量转换系统的核心基于成熟的核技术,包括美国陆军试验开发小型移动反应堆(SMR)的战术准备,以及NASA新的原型系统(如KiloPower)。

布翁焦尔诺说,“十年前,这种电池只是个‘白日梦’,但它们的构建模块技术已经成熟到可信的程度,今天有独特的机会。”

虽然这个联盟在其核电池的设计方面没有提供任何信息,但就提议要开发什么,提供了某些概括性的信息。未来的挑战包括总体设计、试验和合格的燃料、传热机制和安全设计综述。

据这个联盟说,核电池就在20英尺长集装箱的重屏蔽容器内,几乎能自动地“运行”,只有简单的冷却系统和最低的维护需求。在满足NRC的安全标准的同时,也能强健地抵御极端外部条件。这意味着它们可以在较短时间内完成必要的监管测试和审评,大型核反应堆通常花费的时间要长得多。

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图2 核电池及其发电机概念图像

布翁焦尔诺说,“令人兴奋的是,虽然传统核反应堆发展模式需要10年甚至更多时间,甚至超过100亿美元,但这种微堆的第一个原型,堆芯也只有‘人’的大小,可在几年内造出来,开发成本小两个数量级,不到1亿美元。”

核电池可以为工厂、住宅区、制氢装置和货船推进等大型市场提供热能和电力。此外,还可用于岛屿上的海水淡化和防洪泵等特殊位置;集装箱式农业和水产养殖产品;便携式数据中心;便携式生物制药,甚至给月球和火星上的宇宙飞船和基地提供动力。

要让这么激进的事业结出硕果,需要建立真实的成本模型。在ANPEG的模型中,核电池能源的供应商将根据最终用户的需求“定制”其服务,保证在这段时间以给定的价格供热和供电。这个供应商将在场外安全地更换核燃料。可以证明,核电池不依赖电网而且运营开支很少,其电价能与电力和热力公用事业公司的收费相竞争。

新型核能范式?

布翁焦尔诺认为,核电池的发展是他过去五年研究工作“合乎逻辑的结果”。2016-2018年,他领导了《MIT能源倡议》下的“碳约束世界核能的未来”研究[9],认真审视了核能在西方经济体中开发和部署日益困难。最基本的调研成果是,要把核能作为脱碳的手段,成功地部署取决于控制新堆的建造成本。

他说,“这让我开始思考如何改变这种范式。”“核能必须从昂贵而漫长的大型建设项目转变为廉价的即时服务。只有在规模和技术上发生根本性变化,才能实现这种转变。”

一年前,布翁焦尔诺开始接触潜在的合作者、研究人员以及工业和政府的相关人士;他们已认识到电池与成熟核技术的潜力。布翁焦尔诺自诩为“催化剂”,将30个人快速组成一个正式的组织。

ANPEG的前进道路

到今年年底,ANPEG将确定电池的监管要求,推进市场准备的最佳商业模式。下个阶段将聚集核电池制造商、运营商和公用事业公司,为建造、部署和运营这个电池“群”做好准备。此后,将在某个国家能源实验室现场创建并试验一个核电池原型装置。

有布翁焦尔诺所谓的“潜在的阻碍因素”,例如,经济潮流转移或安全问题。但是有个压倒性、令人信服的理由向前推进:现在就开始转向无碳能源生产。布翁焦尔诺说,“对于核电池,我们谈论的不是几十年,而是五年,这就是为什么说它是个‘游戏规则的改变者’的原因。”

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图3 西屋公司:伊-达芬奇(eVinci)小型模块式反应堆概念设计图像
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其他的努力,包括美国国防部(DOD) 在今年3月22日说,它已对两个团队执行合同选项,一个由BWXT先进技术公司领导,另一个由X能源公司领导,继续开发可运输的先进微堆原型装置的最终设计。

这两个团队选自“初步设计竞赛”,每个团队都将在DOD《战略能力办公室》(SCO)倡议下的“贝利项目”内继续独立开发。

2022年初,经最终设计审查并按国家环保政策法案完成环境分析后,可能选择这两家公司的一家建造并演示一个原型装置。

这个反应堆要能承受比正常运行更极端的条件,要通过直接试验表明,没有超出故障极限。可为后续阶段的广泛商用设施提供信心。

先进核燃料商业化再循环与加工能力

奥克洛公司(OKLO)正在与美国能源部(DOE)和阿贡国家实验室(ANL)合作,推进电精炼技术,为先进堆生产核燃料。

这项技术将有助于降低先进堆设计的燃料成本,同时借助“乏”核燃料转化为先进堆的核燃料,减少核废物量。

OKLO公司宣布,US DOE通过技术商业化基金(TCF)支持,提供200万美元成本分担奖励。OKLO再投资100万美元,与US DOE和ANL开展这项公私合作研究。TCF项目将利用电精炼技术实现先进核燃料再循环能力商业化[10]。

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图4 阿贡国家实验室高温处理装置的概念图像。

电解精炼工艺有助于降低先进堆核燃料的成本。热堆利用燃料的一小部分能量,而快堆与电精炼相结合,可以释放燃料中剩余的、未开发能量,同时减少废料的体积和放射性的寿期。

OKLO公司联合创始人兼首席运营官卡罗琳·科克伦(Caroline Cochran)说,“我们很自豪,因为被选中,加速先进核燃料再循环和开发的商业化,并把清洁能源快速、经济高效地推向市场。”

科克伦还说,“核燃料的能量密度比其他能源高几百万倍,最关键的是给人类提供最便宜的清洁能源。”“‘用过的’核燃料中蕴藏着巨大的能量,可以给世界提供清洁的能源。”

美国能源部对工业伙伴的承诺,有助于推动有前景技术的商业化。

OKLO公司的联合创始人兼首席执行官雅各布·德威特(Jacob DeWitte)说,“这个奖项展示能源部优先支持私营部门,把下一代裂变技术推向市场。”此外,这种公私伙伴关系能为美国的“乏”的(即“用过的”)核燃料转化为清洁能源提供商业机会。

爱达荷实验室园区OKLO公司微堆装置厂址“许可证”

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图5 OKLO公司极光(Aurora)核电厂的艺术效果图

2020年6月,NRC接受了OKLO公司微堆设计取照审查的申请,同意审查1.5 MW微堆设计的联合许可申请。

OKLO 公司的微堆名为“极光”,是个先进的裂变动力系统,包括小堆和集成的太阳能电池板。极光微堆使用液态金属核燃料,把裂变热能从堆芯传输到二次发电系统,产生约1.5 MW的动力。

拟议中的极光设计,使用热管将堆芯的裂变热能传输给超临界二氧化碳动力转换系统,发电。

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OKLO公司说,极光装置的预算安排是,建设约需1000万美元,每年运行的预算为300万美元。

至于燃料循环的成本,OKLO公司说,鉴于反应堆和燃料循环的类型,许可证有效期为20年,堆芯只需装料一次。极光装置将用于供热和发电。

结语

面对急迫的气候危机和能源转型,全球各界都在寻求“万全之策”。但从本质上讲,最经济、安全、可靠、有弹性的能源未来是局域性和分布式的;从总体上讲是太阳能、风能+储能的无碳排放的清洁能源系统。但储能有各种形式,问题在于采用什么样的储能最经济、安全而且可靠。

有核和希望有核的国家,不会放弃核能追求,问题在于它的经济性。MIT及美国科学界主张开发先进核能系统,提出了“核电池”概念,这在西方经济体有坚实的科学和技术基础。原来的第三代、第四代核能系统,看来走不下去或者“困难重重”,走“微堆”核电池道路是稳妥的,也有可能实现乏核燃料再循环,解决铀资源短缺问题……

“核电池”可能具有下列属性[11],因而有强大的“生命力”:

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图6 (裂变)核电池的属性

经济性:对于特定领域的特定应用,与其他分布式能源(电和热)在成本上具有竞争力。这就要跨越多个应用的灵活部署与其他能源的集成,实现多种分布式的能源系统。

标准化:在开发标准化的规模、功率输出与制造过程中,实现通用和工厂生产。这会降低成本,生产更可靠的系统,实现更快的资格认证。

安装:便于安装投用和用后拆卸。用后可以通过重新装入新核燃料或负责任地处置回收,实现再循环。

无人值守:无人值守的情况下安全运行,提供需求驱动的动力。

可靠性:系统和技术必须高度可靠,提供较长的使用寿命,支持大规模部署应用。支持远程监控概念,必须牢固、有弹性、容错和持久,需要更换时预先有“告示”。

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 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




责任编辑: 李颖

标签: 核能 核电池

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