美国政府创建像电池一样的微型核反应堆项目

2022-06-16 10:39    核电池  微型反应堆  美国核电  核反应堆

美国政府核研究实验室之一爱达荷国家实验室的微型反应堆项目的技术负责人阿拉法特认为核能不必如此。阿拉法特正在领导建造一个小型、相对便宜的核反应堆。他说,这更像是一个核电池。


核反应堆因其是经常出现成本超支的大型建设项目而享有盛誉。此外,一旦它们最终建成,监控和维护它们需要数十名训练有素的专家的工作人员。

美国政府核研究实验室之一爱达荷国家实验室的微型反应堆项目的技术负责人阿拉法特认为核能不必如此。阿拉法特正在领导建造一个小型、相对便宜的核反应堆。他说,这更像是一个核电池。

阿拉法特在来到美国上大学之前在孟加拉国长大,他的动力来自于帮助世界脱碳的强烈紧迫感。全球变暖的影响并未作为孟加拉国遥远的未来情景进行讨论——气候变化已经成为当前日常生活的一部分。核能不会产生任何温室气体排放,阿拉法特希望通过建造有助于工业发展的微反应器原型来为解决方案做出贡献。

该原型将被称为 MARVEL 反应堆,是 Microreactor Applications Research Validation and Evaluation 项目名称的首字母缩写,目标是在 2023 年 12 月之前让第一个反应堆运行,使其成为美国第一座先进的微反应堆。


Marvel 微反应器项目的技术负责人 Yasir Arafat 向 CNBC 展示了原型。

爱达荷国家实验室于 2020 年 6 月在阿拉法特的领导下开始设计和建模 MARVEL 反应堆项目。如果完成,MARVEL 微反应器“将是同类产品中的第一个,它将能够展示我们如何真正将核系统小型化为便携和可移动的东西,并且还能够为最终客户提供热量和电力。

已经有许多私营公司——包括Oklo、西屋公司(阿拉法特曾在那里工作了十年)和通用原子公司——在开发微反应器,他们的目标与政府的目标相同:开发一种无排放、可靠的能源。

一个微型反应器可以为 1,000 到 10,000 人的社区供电,无论是医院还是偏远的军事基地。美国当前的电网基于在集中位置发电并将其分配给最终用户的系统。但微反应器是未来电网愿景中的一个组成部分,它的集中度较低,对自然灾害的抵御能力更强。

阿拉法特说,除了作为偏远地区或小社区的潜在清洁能源选择外,微反应器还可能成为未来清洁能源电网的关键部分,包括可再生太阳能和风能以及电池存储。核能是一种基本负荷能源,这意味着它可以在没有风和没有阳光的情况下提供能量,作为可再生能源间歇性的后盾。


爱达荷国家实验室的漫威反应堆原型。

更小=更便宜

小型模块化核反应堆的建造和建造比传统的轻水反应堆要简单几个数量级。微反应器更进一步。

阿拉法特说:“整个硬件可以在工厂中制造,就像我们制造汽车或汽车的方式一样,允许每年生产数百个微反应器。微型反应器可以从工厂运送到客户所在地,加满燃料并启动。目标是能够在不到一周的时间内部署一个微型反应堆,“所以它更像是一个核电池,而不是一个大型发电厂。如果我们真正擅长制造这些系统并利用工厂制造,我们可以让它们足够便宜,适用于全国的每个校园。”

微反应堆使用一种不同类型的燃料,其浓缩程度略低于核不扩散要求设定的 20% 限制。这种称为 HALEU 或高含量低浓缩铀的燃料可以使反应堆更小。

阿拉法特说:“我们实际上可以建造一个效率更高、更紧凑、更小得多的堆芯。因此,我们实际上需要更少的燃料来设计反应堆,而不是更大的堆芯。这是提高浓缩度的最大优势。”

小尺寸和工厂制造意味着微核反应堆的建造成本将比传统的轻水反应堆便宜得多,传统的轻水反应堆长期超额运行和超预算。乔治亚州沃格特尔工厂正在建造的第三和第四反应堆已成为此类超龄的例子。


漫威反应堆微反应器项目的技术负责人 Yasir Arafat 在爱达荷国家实验室接受采访。

这并不是说第一批下线的微反应器会像技术一样便宜或快。但它们可能会部署在没有廉价和可靠的清洁能源替代品的地方,比如阿拉斯加的偏远社区。

阿拉法特表示:“目前,唯一可行的技术是柴油发电机,如果我们可以用这样的微型反应堆代替那些柴油发电机,那肯定会显着比他们目前支付的费用更经济。此外,由于微型反应器将位于能源使用地点附近,因此传输成本几乎为零。与传统反应堆相比,微型反应堆所需的人员和维护工作也更少,部分原因是它们的燃料只需更换五到十年,而轻水反应堆则需要不到两年的时间。然后是安全片。微反应器的设计使其许多系统被动运行。因此,从产热、热传输、散热到排热,所有这些冷却剂回路都是被动完成的,没有任何工程系统。反应堆的一侧也是碳化硼,它与装甲车辆中使用的材料相同。因此,如果可能出现人为或极端天气条件,这些系统的实际运行或安全将几乎没有影响。”


爱达荷国家实验室的漫威反应堆原型。

虽然美国核学会工业贸易集团主席史蒂夫·内斯比特特别支持微核反应堆和 MARVEL 项目的想法,但他警告说,它们不会成为脱碳的灵丹妙药。

根据阿拉法特的说法,这主要是因为传统的轻水反应堆产生数百兆瓦的能量,而微型反应堆将产生 1 到 5 兆瓦的能量。

内斯比特说:“我确实认为他们有未来,但与他们一起解决我们的清洁能源需求的能力有限,微反应器非常适合微电网的偏远情况,但不太适合作为传统电网的千兆瓦级清洁电力的发电手段。”

核创新专家、亚历克斯·吉尔伯特教授也持有同样的观点:“它们是分布式能源,旨在为离网客户、小城镇和工业运营服务,阿拉斯加以及加拿大、俄罗斯和斯堪的纳维亚半岛等北极其他地区可能是一个早期的初始市场。它们可以在微电网中发挥关键作用,补充分布式太阳能和电池。”

但微型反应堆发展面临的许多关键问题与美国大规模核能发展面临的许多关键问题相同:供应链萎缩,启动成本高且难以预测,监管体系不完善适合处理它们。

吉尔伯特说:“也就是说,解决这些问题以部署微反应器有助于为“大规模推出大型先进反应堆”的同样问题铺平道路。”

阿拉法特知道,MARVEL 项目有一个更大的目的:几十年来首次展示美国核创新的力量。因此,开发新反应堆的艺术、科学和技术在很多方面也是一个新领域。



图为技术

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