“核电池”是提供无碳能源的“新途径”？

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。

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。

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。

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