美国麻省理工学院(MIT)核工程教授雅格布·布翁焦尔诺(JacopoBuongiorno)要西方发达经济体用“核电池”辅佐可再生动力(太阳能+风能)体系“脱碳”，避免灾难性气候改变[1]，一时让人“摸不着头脑”。幸亏，丹·尤尔曼(DanYurman)在《NeutronBytes》网站上做了充实性论说[2]，使人能把许多情景联络起来，加深“理解”……

    图1核电池概念图画，包含(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，正致力于开发一种巩固、小型、简便的核电池，能够“旁路”电网，直接向终端用户现场供给电力和热能[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，就可支撑单一设备、社区微电网，或其他当地的专门用处。

    在MIT看来，当前，一个核电池约可发生10兆瓦(MW)电力和/或热能;也便是说它的能量输出，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先进核能体系(CANES)中心主任布翁焦尔诺说，“核电池在地理上不受约束，可在任何纬度和任何气候下脱碳。”他说，这种分布式网络便是为了“大大削减难以电气化行业的碳排放。”它们会比国家目前依靠的老化、软弱的电网更有弹性。

    “咱们的大志很大，由于咱们正在处理的问题巨大。[5]”

    核电池概念并不新鲜。早在2004年，美国防先进研讨规划局(DARPA)就在研讨微型电源[6]。这种规划运用美国宇航局(NASA)的放射性同位素热核发电设备(RTG)，作为先进规划概念的跳板。硅谷草创公司Oklo已在去年6月向美国核管会(NRC)提交1.5MW微堆规划的许可证请求，NRC已承受请求;它还取得在爱达荷国家实验室(INL)科技园区现场制作的厂址许可证，很有或许在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，布翁焦尔诺和美国动力部国家实验室、动力和制造业、法律和修建公司的一群协作者宣告成立非营利的联盟，即先进核能与出产专家组(ANPEG)[7]。这个首字母缩写有意与MPEG相呼应，MPEG是数字图画和视频媒体编码的国际规范。

    ANPEG是全球性的联盟，致力开发以“即插即用”微堆(或称核电池)为根底的低碳动力体系，要供给灵敏、有弹性、本钱效益好的动力处理方案，支撑先进的出产活动、动力公平，减平缓习惯气候改变。

    布翁焦尔诺说，“MPEG为数字紧缩和功能树立了‘即插即用’规范，大型技能公司则把它作为竞争产品的根底。”

    “咱们期望把同样的理念使用于核电池的开发，经过创立一套共享的规范、法规和商业形式，促进核电池规划广泛使用。”

    布翁焦尔诺和联盟成员，包含麻省理工学院的科鲁什·希尔凡(KoroushShirvan)(NSE)，查尔斯·福斯伯格(CharlesForsberg)(NSE)和约翰·帕森斯(JohnParsons)(MITSloan)，他们都想在近期内对碳排放发生影响。他们以为，核电池最适合应对这个应战。详见查尔斯·福斯伯格关于研制作业的扼要陈述[8]，旨在处理“裂变电池”的商场和经济问题。

    这个联盟没有泄漏任何外部投资者的姓名。或许由于这个群体的负责人长期在MIT从事学术生计，也或许他们的战略便是开发知识产权足够详细，将其颁发一家公司，使之能够完结整个工程规划、取得NRC的许可并冲过终点线。

    未来的成功取决于客户“所要”的规划和本钱

    布翁焦尔诺说，电池概念的微堆、密封和能量转化体系的核心基于老练的核技能，包含美国陆军实验开发小型移动反应堆(SMR)的战术预备，以及NASA新的原型体系(如KiloPower)。

    布翁焦尔诺说，“十年前，这种电池仅仅个‘白日梦’，但它们的构建模块技能已经老练到可信的程度，今天有共同的时机。”

    尽管这个联盟在其核电池的规划方面没有供给任何信息，但就提议要开发什么，供给了某些概括性的信息。未来的应战包含总体规划、实验和合格的燃料、传热机制和安全规划综述。

    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“运转”，只要简略的冷却体系和最低的维护需求。在满足NRC的安全规范的一起，也能强健地抵御极点外部条件。这意味着它们能够在较短时刻内完结必要的监管测试和审评，大型核反应堆一般花费的时刻要长得多。

    图2核电池及其发电机概念图画

    布翁焦尔诺说，“令人兴奋的是，尽管传统核反应堆展开形式需要10年乃至更多时刻，乃至超越100亿美元，但这种微堆的第一个原型，堆芯也只要‘人’的大小，可在几年内造出来，开发本钱小两个数量级，不到1亿美元。”

    核电池能够为工厂、住宅区、制氢设备和货船推动等大型商场供给热能和电力。此外，还可用于岛屿上的海水淡化和防洪泵等特别位置;集装箱式农业和水产饲养产品;便携式数据中心;便携式生物制药，乃至给月球和火星上的宇宙飞船和基地供给动力。

    要让这么急进的事业结出硕果，需要树立真实的本钱模型。在ANPEG的模型中，核电池动力的供货商将根据终究用户的需求“定制”其服务，保证在这段时刻以给定的价格供热和供电。这个供货商将在场外安全地替换核燃料。能够证明，核电池不依靠电网并且运营开支很少，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?

    布翁焦尔诺以为，核电池的展开是他曩昔五年研讨作业“合乎逻辑的结果”。2016-2018年，他领导了《MIT动力建议》下的“碳约束世界核能的未来”研讨[9]，仔细审视了核能在西方经济体中开发和布置日益困难。最基本的调研效果是，要把核能作为脱碳的手法，成功地布置取决于控制新堆的制作本钱。

    他说，“这让我开端思考怎么改动这种范式。”“核能有必要从贵重而漫长的大型建造项目改变为廉价的即时服务。只要在规模和技能上发生根本性改变，才干完成这种改变。”

    一年前，布翁焦尔诺开端接触潜在的协作者、研讨人员以及工业和政府的相关人士;他们已认识到电池与老练核技能的潜力。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的行进路途

    到本年年底，ANPEG将确认电池的监管要求，推动商场预备的最佳商业形式。下个阶段将聚集核电池制造商、运营商和公用事业公司，为制作、布置和运营这个电池“群”做好预备。尔后，将在某个国家动力实验室现场创立并实验一个核电池原型设备。

    有布翁焦尔诺所谓的“潜在的阻止因素”，例如，经济潮流搬运或安全问题。但是有个压倒性、令人信服的理由向前推动：现在就开端转向无碳动力出产。布翁焦尔诺说，“关于核电池，咱们谈论的不是几十年，而是五年，这便是为什么说它是个‘游戏规则的改动者’的原因。”

    图3西屋公司：伊-达芬奇(eVinci)小型模块式反应堆概念规划图画

    其他的努力，包含美国国防部(DOD)在本年3月22日说，它已对两个团队执行合同选项，一个由BWXT先进技能公司领导，另一个由X动力公司领导，持续开发可运送的先进微堆原型设备的终究规划。

    这两个团队选自“初步规划竞赛”，每个团队都将在DOD《战略才能办公室》(SCO)建议下的“贝利项目”内持续独立开发。

    2022年头，经终究规划审查并按国家环保方针法案完结环境分析后，或许挑选这两家公司的一家制作并演示一个原型设备。

    这个反应堆要能承受比正常运转更极点的条件，要经过直接实验表明，没有超出故障极限。可为后续阶段的广泛商用设备供给决心。

    先进核燃料商业化再循环与加工才能

    奥克洛公司(OKLO)正在与美国动力部(DOE)和阿贡国家实验室(ANL)协作，推动电精粹技能，为先进堆出产核燃料。

    这项技能将有助于降低先进堆规划的燃料本钱，一起借助“乏”核燃料转化为先进堆的核燃料，削减核废物量。

    OKLO公司宣告，USDOE经过技能商业化基金(TCF)支撑，供给200万美元本钱分管奖赏。OKLO再投资100万美元，与USDOE和ANL展开这项公私协作研讨。TCF项目将运用电精粹技能完成先进核燃料再循环才能商业化[10]。

    图4阿贡国家实验室高温处理设备的概念图画。

    电解精粹工艺有助于降低先进堆核燃料的本钱。热堆运用燃料的一小部分能量，而快堆与电精粹相结合，能够开释燃料中剩下的、未开发能量，一起削减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(CarolineCochran)说，“咱们很骄傲，由于被选中，加速先进核燃料再循环和开发的商业化，并把清洁动力快速、经济高效地推向商场。”

    科克伦还说，“核燃料的能量密度比其他动力高几百万倍，最关键的是给人类供给最便宜的清洁动力。”“‘用过的’核燃料中蕴藏着巨大的能量，能够给世界供给清洁的动力。”

    美国动力部对工业同伴的承诺，有助于推动有前景技能的商业化。

    OKLO公司的联合创始人兼首席执行官雅各布·德威特(JacobDeWitte)说，“这个奖项展现动力部优先支撑私营部门，把下一代裂变技能推向商场。”此外，这种公私同伴关系能为美国的“乏”的(即“用过的”)核燃料转化为清洁动力供给商业时机。

    爱达荷实验室园区OKLO公司微堆设备厂址“许可证”

    图5OKLO公司极光(Aurora)核电厂的艺术效果图

    2020年6月，NRC承受了OKLO公司微堆规划取照审查的请求，赞同审查1.5MW微堆规划的联合许可请求。

    OKLO公司的微堆名为“极光”，是个先进的裂变动力体系，包含小堆和集成的太阳能电池板。极光微堆运用液态金属核燃料，把裂变热能从堆芯传输到二次发电体系，发生约1.5MW的动力。

    拟议中的极光规划，运用热管将堆芯的裂变热能传输给超临界二氧化碳动力转化体系，发电。

    OKLO公司说，极光设备的预算安排是，建造约需1000万美元，每年运转的预算为300万美元。

    至于燃料循环的本钱，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。极光设备将用于供热和发电。

    结语

    面对急迫的气候危机和动力转型，全球各界都在寻求“万全之策”。但从本质上讲，最经济、安全、牢靠、有弹性的动力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动力体系。但储能有各种形式，问题在于采用什么样的储能最经济、安全并且牢靠。

    有核和期望有核的国家，不会抛弃核能寻求，问题在于它的经济性。MIT及美国科学界建议开发先进核能体系，提出了“核电池”概念，这在西方经济体有坚实的科学和技能根底。原来的第三代、第四代核能体系，看来走不下去或许“困难重重”，走“微堆”核电池路途是保险的，也有或许完成乏核燃料再循环，处理铀资源短缺问题……

    “核电池”或许具有下列属性[11]，因而有强大的“生命力”：

    图6(裂变)核电池的属性

    经济性：关于特定范畴的特定使用，与其他分布式动力(电和热)在本钱上具有竞争力。这就要跨过多个使用的灵敏布置与其他动力的集成，完成多种分布式的动力体系。

    规范化：在开发规范化的规模、功率输出与制造过程中，完成通用和工厂出产。这会降低本钱，出产更牢靠的体系，完成更快的资历认证。

    装置：便于装置投用和用后拆卸。用后能够经过重新装入新核燃料或负责任地处置收回，完成再循环。

    无人值守：无人值守的情况下安全运转，供给需求驱动的动力。

    牢靠性：体系和技能有必要高度牢靠，供给较长的运用寿命，支撑大规模布置使用。支撑远程监控概念，有必要牢固、有弹性、容错和持久，需要替换时预先有“告示”。

    材料与注释：

    1DavidL.Chandler,3Q:Why“nuclearbatteries”offeranewapproachtocarbon-freeenergy,MITNews,June25,2021

    2DanYurman(djysrv),MITPublic/PrivatePartnershipExpandsEfforttoDevelopa10MWe‘Plug-and-Play’Nuclear Battery,NeutronBytes,June27,2021

    3LedaZimmerman,Anuclearbattery-poweredboost,NuclearScience&EngineeringatMIT,February2021

    4JamesConca,WhatWouldNuclearBatteriesDoForUs?Forbes,Jan25,2021

    5LedaZimmerman,Anuclearbattery-poweredboost,MITNSE,February2021

    6AmitLal&JamesBlanchard,TheDaintiestDynamos,TEEESPECTRUM,01Sep2004

    7ANPEG,AdvancedNuclearandProductionExpertGroup.https://anpeg.mit.edu/

    8INL,FissionBatteryInitiative,https://nuc1.inl.gov/SitePages/Fission%20Battery%20Initiative.aspx;

    9MITEI,TheFutureofNuclearEnergyinaCarbon-ConstrainedWorld,ANINTERDISCIPLINARYMITSTUDY(2018)

    10ANL,RECYCLINGUSEDNUCLEARFUELFORASUSTAINABLEENERGYFUTURE,PyroprocessingTechnologies,2018

    11INL,FissionBatteryInitiative,INL/EXT-21-61275,January2021

    5e　作者：镜清

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    核能　核电池

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