先进核能:气候技术的回归故事

原子分裂可以说是人类最伟大的技术成就之一。原子长期以来被认为是最小的物质单位，它的名字来源于古希腊，意思是“不可分割的”。然后，在20世纪初，科学家们发现了一种分裂大原子的方法，用任性的中子轰击它们，释放出巨大的能量。这一过程不仅能产生大量的热量和电力，而且不会排放导致气候变暖的气体。

不幸的是，这一突破几乎一实现，就被滥用了。起初，它被故意滥用，作为一种暴力手段。今年夏天是美国轰炸广岛和长崎的75周年纪念日，那次轰炸在日本造成10万至20万人死亡。这是唯一一次在军事冲突中使用原子武器，但自那以后，原子弹的幽灵就越来越大，尤其是在冷战期间。

由于疏忽和设计不良，核技术也曾被无意中滥用。切尔诺贝利(Chernobyl)、三里岛(Three Mile Island)和福岛(Fukushima)等事故引发了人们对核能作为清洁和可靠能源的潜力的怀疑。

不可否认的是，当核能出现问题时，存在着真实而严重的风险。这可能就是核工程在过去几十年里在美国停滞不前的原因。核提供了20%美国的电力供应，但这个国家已经建立只有一个21世纪商业运作的核反应堆。从全球来看，核工业预计将经历2.5%(中国)至2.8%(德国)之间的复合年增长率。

然而，新一代核技术可能会改变这一前景。它的支持者正试图弥补过去的缺陷，并实现对未来的新愿景，他们希望将核裂变作为一种丰富的低碳能源。

麻省理工学院(MIT)核工程教授Jacopo Buongiorno说:“这有点像现在的汽车或飞机与15、20、30、40年前的不同。”“核能也是如此。你现在买的是2020年的奔驰。你买的不是1965年的标致。”

目前存在许多新的核能发电技术模型，它们在尺寸、设计和市场成熟度上各不相同，但它们有一些共同的关键特征，使它们比以前的模型更安全、更通用。

一些专家怀疑，这些新技术能否以合理的成本，以一种足够安全的方式来消除人们的担忧，至少在没有巨额政府补贴的情况下，这些补贴在可预见的未来似乎不太可能在美国实现。

“如果这听起来好得令人难以置信，那很可能就是真的，”忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)核电安全主管埃德温·莱曼(Edwin Lyman)说。

就像任何一个东山再起的故事一样，我们也需要克服一些主要的障碍，而且并没有成功的保证。然而，救赎也有一些吸引人的地方。特别是，核能倡导者认为，有三个机会可以在21世纪挽救核能。

机会1:裁员

核能领域最近最大的进步之一就是反应堆的小型化。20世纪的反应堆是巨大而昂贵的庞然大物。这些大型发电厂产生的能量足以为数百万家庭提供电力，但建造它们也需要数十年的时间和数十亿美元。

核领域的最新趋势是小型模块化反应堆(SMR)，它产生的能量只是传统反应堆的一小部分，但成本只是传统反应堆的一小部分。现有的核反应堆能产生500兆瓦到1千兆瓦的电力。smr的发电量低于300兆瓦。

小型反应堆的一个好处是，它们比以前的反应堆更灵活。一个反应堆可以适合低能源需求的项目，多个反应堆可以添加到高能源需求的项目中，比如在货运列车上安装额外的汽车或将更多的灯泡连接到一串节日灯上。

NuScale可以说，该公司在SMR技术方面取得了最大的进步。它的反应堆有60兆瓦的容量，足够为5万户家庭供电。该公司最近收到了获得美国核管理委员会(NRC)的初步设计批准，使其设计最接近于获得任何小型核反应堆的绿灯。

“这对我们来说是一个巨大的里程碑，”NuScale首席技术官何塞•雷耶斯(Jose Reyes)表示。

在…的帮助下13.5亿美元的赠款NuScale公司正在制定建造美国第一个小规模核电项目的计划。该核电站将由12个反应堆组成，向犹他州的一个城市财团出售电力，第一个反应堆将在2029年启用。

雷耶斯说:“我们相信，我们正在为我们在安全方面所做的工作，以及向部署核反应堆的不同模式迈进铺平道路。”

犹他州的项目还有很长的路要走，在过去的几个月里，它被延迟时间，取消城市合作和挥之不去的问题关于安全。

尽管通往先进核能的道路仍在铺设中，但它远非空空如也。许多公司都在试图在这个十年末和下一个十年初建造下一代核电站。

如果你要把核反应堆建在易燃或可燃的化学设施附近，显然会引发新的担忧。

像NuScale公司一样，这些公司中的许多都在考虑规模小的问题，但也有一些有不同的想法。NuScale的反应堆是20世纪核电站反应堆的一个小版本，它使用水来冷却堆芯的高温反应。较新的技术用熔融盐或高温气体冷却反应。

陆地能源目前，该公司正与加拿大监管机构合作，以获得其熔盐反应堆设计的批准。该公司的目标是在2030年之前获得许可并建成两座电厂，每座电厂的装机容量为195兆瓦。

Terrestrial的首席财务官卡农·布莱恩(Canon Bryan)指出，小型建筑不仅是一个实用的机会，也是一个财务上的机会。他注意到，私人投资者对于是否支持一个成本超过10亿美元的项目犹豫不决，但如果支出低于10亿美元，那就是另一回事了。

他说:“就部署而言，目前全球核能行业面临的最大限制是前期成本。”

Buongiorno还认为成本是一个关键的门槛，特别是当小型核电站正在接入电网，与其他发电来源竞争，但同时又补充它们的时候。

“它们将是可再生能源的一个很好的组合，”他说，“因为当太阳没有照耀，风没有吹，你可以让你的核反应堆覆盖高峰和低谷。关键问题是，代价是什么?如果这个系统的电力均等化成本太高，那么人们就不会购买它们，他们可能会发现购买大存储空间更有利。”

对于离网应用，一些核技术公司考虑的规模甚至更小。一些公司正在研究小于50兆瓦的“微型”反应堆，有些甚至小到1兆瓦。这些微反应堆可以为煤矿以及未连接或连接不良的社区提供电力。

其中一家公司是超安全核公司该公司已经开发了一个容量为5mw的氦冷却微反应堆。美国北卡罗来纳大学电力部门总裁马克·米切尔(Mark Mitchell)指出，从小处开始，然后变得更大，这与太阳能等可再生能源的发展路径相同。

他表示:“这代表了一种新的核能发展方式，它强烈借鉴了过去10年可再生能源企业的运作方式和规模。”“如果核能从可再生能源中吸取教训，我认为它将会非常强大。”

布莱恩强调，拥有不同大小的核材料为核能的广泛应用打开了大门，这在以前是不可能的。他说:“目前可用的核电站只有一种规模:巨大，而一种规模并不适合所有的核电站。

机会2:多功能性

说到能源生产，电力只是个开始。超过80%世界上大部分的能源都用于非电力用途，如工业生产和交通运输。betway必威娱乐从这个意义上说，20世纪的核电站本质上是一种巨大的只会一种技能的小马，因为它们唯一的功能就是发电。下一代的核能还有其他的潜能，而这些潜能的基础就是热量。

“我们在社会上遇到的几乎所有东西都是在工业设施中制造的，而且几乎每一个工业设施都使用热量，”布莱恩说。“这是一个巨大的市场，核能创新可以参与竞争，在这个市场，除了化石燃料，没有其他技术能真正做到。如果核能创新能在成本上与化石燃料竞争，那么我不得不说，这是一场游戏，定能匹配。”

传统的反应堆不能超过572华氏度，否则冷却剂会很快沸腾，造成重大安全风险。然而，对于可以达到华氏1292度的熔盐反应堆或可以超过华氏1652度的高温气体反应堆来说，这不是问题。

布莱恩说，绝大多数工业设施需要25至150兆瓦的能源，这意味着在大多数情况下，小型反应堆至少在理论上能够取代化石燃料，以满足工业需求，只要它们能够降低成本。

这只是今天的工业过程。低碳的未来将需要一整套全新的能源密集型过程。将热、蒸汽和电结合在一起，是从水中提取氢并将其用作氢燃料的有效方法。热量对钢铁和混凝土的制造至关重要，这是脱碳最具挑战性的领域。为了获得净收益，捕捉二氧化碳直接需要低碳的热能或电能。所有这些过程都可能由小型高温核反应堆提供动力。

布昂乔诺说:“如果你能使用核反应堆，那么你就能够开始去碳化，否则，仅仅依靠电力，你就无法触及这些领域。”

然而，Lyman等安全专家警告称，工业应用带来了额外的风险。产生热量的反应堆需要靠近使用热量的设施，这使得适当的密封程序更加关键。

莱曼说:“如果把核反应堆建在易燃或可燃的化学设施附近，显然会引发新的担忧。”

机遇3:设计更安全

从气候的角度来看，想象一个充满了廉价、充足、低碳能源的小型核电站的未来是令人鼓舞的。然而，有些人会觉得住在小型核电站附近令人不安。核技术需要确保安全，不容置疑。这就是为什么先进的核公司正在规划固有的安全设施，他们希望这些设施将使许多潜在的灾难不仅不可能发生，而且不可能发生。

安全风险一般可分为三大类。首先，核燃料有落入坏人之手并被用来制造核武器的风险。然后，还有核电站故障并释放有毒辐射的风险。最后，不管储存在哪里，剩余的材料都有危险。

让我们首先谈谈应对武器扩散风险的措施。任何放射性物质都需要谨慎处理，但大多数核反应堆使用的燃料与武器级核材料截然不同。放射性铀的浓度要低得多，而获得更高浓度铀的浓缩过程既复杂又昂贵，不是任何一个个体都能做到的。

此外，小型反应堆的一个好处是它们是可运输的。这意味着，即使反应堆本身分布广泛，它们也可以设计成只在一个安全的中央位置添加或移除燃料。

这些因素并不能排除核材料落入坏人之手的风险，但它们有助于确保核能行业有别于武器生产。

其次，还有发生灾难性事故的风险。过去发生的每一次失败都是一种学习经验，导致改进的设计，旨在消除重复出现同样问题的可能性，即使在极端或不可能的条件下。这就是所谓的内在安全。

例如，福岛核泄漏事故是在海啸导致电力供应中断后发生的。先进的核设计使用被动冷却技术，依赖于重力，不需要外部电源。在福岛，用于冷却核电站的水蒸发了。像NuScale这样的小型核反应堆的设计是，如果周围没有水，就可以通过周围的空气进行冷却。正如前面提到的，像熔盐和高温气体这样的冷却剂不会蒸发掉。

最终，当反应堆失效的时候，固体燃料会融化并渗出它所在的区域，因此就有了“熔毁”这个词。气体反应堆使用燃料球每个反应堆都被单独包裹了一层防护层，而且大多数熔盐反应堆根本不使用固体燃料。相反，他们的燃料溶解在盐中，完全消除了熔毁的风险。

“你不能融化已经是液体的东西，”布莱恩说。

然而，这些新的冷却剂有其自身的挑战和复杂性，如含有高温过程或核算副产品的保障措施。传统的反应堆已经开发了多层保护，而先进的技术可能需要找出额外的安全机制，以补充设计中已经建立的安全机制。

莱曼说:“如果你过于相信基本的安全设计特征，然后用它来证明减少其他类型的安全措施，那么你最终得到的东西就不那么安全了。”

最后是废料，核专家称之为“乏燃料”。有些反应堆使用所谓的快速反应如果这个过程重复足够多的次数，就可以将乏燃料转化为可用的材料，从而得到放射性更低的最终产品，或者可能不会产生任何额外的材料。

然而，快速反应堆比其他反应堆更难稳定，因为其他反应堆有内置的机制来减缓和控制反应。快速反应堆还可以使用武器级钚燃料，这可能是永久清除武器库存的有效方法，但也会产生进一步扩散的风险。

在实践中，大多数先进的反应堆可能会产生某种需要安全存储几个世纪的乏燃料。目前，在美国，乏燃料储存在核电站现场，这是不可长期持续的。

找到一个更永久性的地方来储存这些乏燃料是很棘手的。最值得注意的是，由于当地的反对，在内华达州亚卡山建立仓库的计划被无限期推迟。

Buongiorno说:“这个问题一直是政治进程的问题，而在美国，我们已经犯下了灾难性的错误。”

最终，社交许可确实是反应堆设计的前沿。

然而，像芬兰这样的欧洲国家却是已经在建造储存地点在周边社区的支持和支持下，这些社区一直在向前发展。一旦这样的储存库建成，它们只需要储存适量的乏燃料。

Buongiorno有一种巧妙的可视化方法，他帮助我把废燃料的体积放在背景中。他说:“如果你我一生都在使用核能，那么高水平核废料的数量……就相当于一个茶杯的大小。”“在你的一生中，只有核能，这就是你所拥有的废物量。”

显然，这些茶杯会加起来，它们是有放射性的，但如果政治因素可以解决，材料的数量是可控的，这对先进的反应堆和传统的反应堆都是如此。

不过，并不是每个人都喜欢。所有这些安全措施并不能保证先进的核电站绝对没有风险，尤其是在目前还没有任何先进的核电站投入商业运行的情况下。新技术总有可能带来未知的未知，就核能而言，失误可能是灾难性的。老的技术已经经历了错误和关闭的事实没有帮助。

莱曼说:“当你谈论开发一个完全没有任何操作经验的新型反应堆时，一个关键的考虑因素是试图考虑所有的不确定性。”

与我交谈过的每一家核技术公司都强调要认真对待核安全。美国超安全核公司(USNC)甚至把“安全”作为公司名称的一部分，把“安全”放在了首要位置。

“我们的名字对我们自己和整个行业来说都是一个挑战，”米切尔说。

这种安全第一的做法不仅仅是嘴上说说而已。为了在美国和加拿大等国家建立新核电站，企业需要出示彻底的安全证据。

然而，莱曼担心的是，核公司和核管理委员会急于将未经验证的技术推向市场。

他说:“核管理委员会受到业界和国会的相当大的压力，要求它不要拖延。”

除了正式的监管程序，还有公众意见的法庭，这是企业考虑每一个可能的风险的额外理由，甚至是那些看起来不可能的风险。

“这些问题都是可以感知的，”卡尔·佩雷斯(Carl Perez)说极乐空间工业公司设计了一个大型熔盐反应堆．这就足以让我们把它当成一个问题了。归根结底，社交许可确实是反应堆设计的前沿。”

核的下一个行动

核能作为一种清洁而有前途的能源选择，在可再生能源中扮演了次要角色，但它即将重新成为人们关注的焦点，可能比一些人预期的要快得多。

“很多人普遍认为，这些技术是伟大的，但它们不会在30年、40年、50年之内准备好。我们在这里要说的是，这是垃圾，”布莱恩说。

甚至是核聚变——小原子的高能量结合(比如太阳内部发生的事情)——似乎也更多在可能的范围内．

这一技术进步令人兴奋，因为核能被一些人视为解决气候变化的工具带中的一个重要工具。Buongiorno和其他核研究人员团队对世界多个地区的电力部门减少排放进行了设想他们发现先进的核裂变对于以最低的成本获得最低的碳是至关重要的。

布昂乔诺说:“如果我们认真对待脱碳问题，核能确实可以也应该发挥作用。”

如果你一开始就说，无论如何，你都必须把核能作为系统的一部分，那么你可能会得出关于你需要的安全水平的错误答案。

长期以来一直对核技术持批评态度的忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)也对核技术持批评态度认识到核能作为一种无碳能源的价值，尽管该组织继续推动最严格的安全考虑。

莱曼说:“如果你一开始就说，无论如何，你都必须把核能作为系统的一部分，那么你可能会得出关于你需要的安全水平的错误答案。”

一些核能倡导者认为脱碳势在必行，需要往更大的方向想。佩雷斯对小型模块化反应堆持怀疑态度。他的公司正在寻求在能源需求快速增长的地区建造大型熔盐反应堆(超过1吉瓦)。

“我们希望世界多快实现脱碳?”因为如果我们想尽快完成，我们就不需要建造小型输出反应堆。”

然而，脱碳也是发展小型技术的一个激励因素。Oklo已经设计了一个1.5兆瓦的微反应堆，其创始人也认为该公司的技术是应对气候变化的必要解决方案的一部分。

“深度脱碳的国家是通过核能和可再生能源实现脱碳的，”欧克陆能源首席运营官卡罗琳·科克伦(Caroline Cochran)说。“这是我们真正需要做的，如果我们想要以一种我们必须做的方式迅速脱碳，如果我们想要任何表面上不出现大规模生态系统崩溃的话。”

奥克罗这个名字来自加蓬的奥克罗地区，那里已经形成了铀矿自然裂变反应堆在地球表面深处存在了20亿年。这个名字的选择提醒人们，核裂变已经成为世界的一部分，尽管人类只是最近才偶然发现它。