美国能源部7年内将支持建造两台新型反应堆 重振核能工业

为了重振奄奄一息的美国核能工业，美国能源部(DOE)上周宣布，将在7年内帮助建造两台全新的核反应堆。

这将由国能源部的新先进反应堆示范项目（Advanced Reactor Demonstration Program）资助，该设计包括一些特殊的设计，比如用钠或氦代替水进行冷却，以期比传统的电力反应堆更安全、更经济。

爱达荷国家实验室国家反应堆创新中心的核工程师和主任Ashley Finan认为，这两种(设计)完全可以实现和落地。

能源部将与私营企业分摊建造每个工厂的总成本。每个项目今年将获得8,000万美元的资助，在未来5-7年内将获得总计4亿至40亿美元的资助。Ashley Finan称，该机构今年还打算为不太成熟的创意设立额外的、规模较小的奖项。她表示，将会从几个设计中挑选组成一个专家委员会，具体人员的名单尚未公布。

这两项获奖设计从根本上背离了传统的动力反应堆。在核反应堆的核心，铀燃料原子在链式反应中分裂，释放能量和自由飞行的中子，然后分裂其他铀原子。而在传统的动力反应堆中，能量加热在堆芯循环的高压“冷却”水。仍然处于压力下的冷却水流向外部的蒸汽发生器，它使水在一个单独的回路中沸腾，产生的蒸汽驱动涡轮机发电。

TerraPower公司和通用电气日立公司(GE Hitachi)的345兆瓦纳盐反应堆将使用熔融金属钠作为冷却剂，而不是水。因为钠的沸点比水高得多，冷却剂就不需要加压，降低了电站的复杂性和成本。钠会把它的热量传递给熔盐，熔盐可以直接流到蒸汽发生器或储存槽中，储存起来产生蒸汽和电力。与传统的核电站相比，即使在其反应堆继续稳定高效运行的情况下，纳盐核电站也可以迅速提高或降低其总发电量。这可以作为风能和太阳能等可再生能源的补充，因为这些能源产生的电力水平不稳定，需要平衡。

X-Energy的x -100设计属于高温气冷堆，将使用加压氦气来冷却以铀为基础的燃料。这种燃料将不会被封装在传统的金属包裹的燃料棒中，而是被封装在“卵石”中——石墨球中注入了无数包含铀的陶瓷内核。

这个反应堆就像一个巨大的粘性制造机器，里面会有22万块小石子，这些小石子会慢慢穿过堆芯下降，当它们的燃料用完后，会从底部的一个汇聚口流出。加热到750摄氏度，氦会在二次回路中产生蒸汽来发电。

原则上，卵石不会融化，从而消除了熔毁的风险。每台x -100将产生80兆瓦的电力，而一座核电站将由四个模块化反应堆组成。

这两个核电站都应该比传统的核电站更简单、更便宜。由于钠冷却剂是非增压的，该反应堆需要一个比传统反应堆更小的密封结构。该核电站还“分离”了反应堆和设施的发电部分，它们位于储水箱的相对两侧。

TerraPower的工程师、Natrium设计项目主管塔拉·尼德尔(Tara Neider)说，这些特点应该能让工程师们将昂贵的钢筋混凝土的使用量减少80%。她说:“钠的作用就是使核电站变得更简单，从而提高效率。”两家公司都表示，他们还没有为反应堆选址。

这两个反应堆还将不同于传统的设计，它将使用浓度更高的铀235燃料。铀235是产生链式反应的关键可裂变同位素。为了最大限度地降低新燃料或已用过的燃料被用于制造核武器的风险，水冷式反应堆使用的燃料为铀235的3.5%。钠和x -100反应堆将使用浓缩至20%的燃料，这将使它们在一批燃料上运行更久，并从中提取更多的能量。

Ashley Finan称，美国目前还没有生产这种燃料，但目前的制造商可以相对容易地制造出这种燃料。她说，燃料也很难用于制造武器，部分原因是需要重新注料的次数较少。

从20世纪50年代核时代诞生以来，工程师们已经建造了一些用钠冷却的反应堆，甚至还有几个球床反应堆。但问题在于设计细节。TerraPower和X-Energy的目标都是制造安全的反应堆，并能与更廉价的能源竞争。Neider指出，TerraPower希望钠厂推出产品的市场价格能低于10亿美元。

今年，能源部计划为更新颖的先进反应堆设计再颁发2-5个奖项。Ashley Finan称：“能源部希望为这些技术提供一条前进的道路，这些技术很可能会改变游戏规则，但还没有完全准备好进行演示。”

对美国核工程师来说，在20多年来美国只委托建造了一座新的动力反应堆之后，建造新的先进反应堆的前景令人兴奋。不过，新项目的未来将取决于国会继续提供资金，以及新一届总统政府的支持。最终，开发商必须证明，核能可以在经济上与其他形式的电力竞争。

翻译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：https://www.sciencemag.org/news/2020/10/department-energy-picks-two-advanced-nuclear-reactors-demonstration-projects