先进核能的重要里程碑:Aurora微型堆核电厂可能对未来核能产生广泛影响

美国能源部几十年来,首次为一家私营公司仅约1.5 MWe的微堆大开绿灯:从选址到燃料供应,甚至20年后的“乏燃料管理”责任都“承包”了。以至于这家公司大概只要再筹集上千万美元,2024年这个微堆就可建成发电了。美国《电力》杂志高级副主编宋诺·帕尔特( Sonal Patel)一直在跟踪报道,她认为很可能是先进核能的“突破性进展”…..

在一次独家采访中,来自硅谷的欧克陆公司(Oklo)的高管告诉《电力》杂志,爱达荷国家实验室(INL)选择它们公司全尺寸的极光微堆( Aurora)为同类首个示范装置,使用再循环的高含量低浓缩铀(HALEU)燃料,可能对核能的未来产生广泛的影响。[1]

据介绍,Aurora电厂可以提供清洁、可靠的低价电力。此外,该电厂规模较小,可实现数十年持续发电而无需换料,电厂燃料置放于地下,能够实现自然停堆,同时还通过使用裂变能谱实现燃料循环利用和利用最大化,且运行期间无需冷却水

INL 2月19日说,作为对先进核能创新重要促进的标志,核工业专家指望 Aurora能在快速发展的电力部门中,改变核能未来的角色,让开发商利用现在退役的实验增殖堆II号(EBR-II)回收的乏燃料,经加工处理,用于这个1.5MW的示范快堆。[2]

核燃料经稀释到铀浓缩度低于20%,成为高含量低浓缩铀(HALEU),仍然属于美国能源部(DOE),并且要保留在爱达荷州爱达荷泉INL科技园区内。Oklo去年接受了这个厂址,用来建造它的Aurora型核电厂。

据INL说,虽然18日宣布机会终结,但仍取决与Oklo达成合作协议。利用HALEU材料于微堆示范,这个选择是一大步,明显的进一步的目标是加速部署商业可行的微堆。正如INL核科学与技术理事会实验室副主任约翰·瓦格纳(John Wagner)博士在18日指出的那样,使用U-235含量高的核燃料好处是可以使反应堆运行数年而无需换料。“这是个重要特点,因为设想这项技术将来可能用于难以进、出的偏远地区”。

什么是HALEU

高含量的低浓度铀(HALEU)是一种核燃料,其易裂变同位素铀235的浓度较高(5%-20%之间)。相比之下,世界上现有的轻水堆(LWR)通常使用的燃料,U-235的浓度低于5%。正如专家指出的,单位体积的HALEU比传统反应堆提供更多的电力,而其效能在于使电厂的规模较小。它还承诺堆芯的寿命更长,核废料的燃耗比更高。

据美国核能研究所(NEI)说,许多先进堆概念,包括某些微堆(许多小于10 MW)、100-200 MW的高温气冷堆和盐冷反应堆,可能需要这种类型的燃料。HALEU也可用于现有的轻水堆(PWR+BWR)。尽管NEI提示HALEU的年商业需求可能飙升至每年185.5吨,但目前并没有HALEU供应。因为建立HALEU的商业供给要有足够的需求,而且开发燃料循环基础设施至少要7年。这个核工业贸易组织多年来一直敦促DOE开发国家的高浓铀,并加以稀释,临时为示范装置供应HALEU。DOE已经注意到这些呼吁,最近正在加紧努力建立HALEU燃料生产能力;并指出,这在不久的将来,对美国的领导能力至关重要。因为在设计和建造小型模块化反应堆(SMR)以及大型非轻水反应堆方面,全球竞争日趋激烈

Oklo先进核能的重要里程碑

Oklo公司成立于2013年,以加蓬一著名的地区命名。此地曾自然出现易裂变的U-235矿床。去年12月,该公司推出Aurora设计概念,称之为“裂变电池”,使用金属燃料,既能产生热能,又能发电。这个概念的灵感来自美国国家航空航天局(NASA)从太空拍摄的地球极光图像。Oklo首席运营官兼联合创始人卡洛琳·科克伦(Caroline Cochran)说,“看到地球的美丽和当前人类的能源需求,以及人类的潜力和空间的美丽,都可通过极光将地球上的光和来自星星的光分开来象征,我们深受鼓舞。我们兴奋地想到,裂变既能促进人类发展,又能保护地球环境,甚至能促进更深层次的太空探索”。 

图1. Oklo的Aurora“核电站”使用金属燃料产生热能。“热管将热能输送给热交换器,而动力转换循环将热能转化为电力”。最近,Oklo获准在爱达荷国家实验室科技园区建造它设计的电站。这个模块化的斜屋顶在设计时考虑到大量降雪,同时也为太阳能光伏板提供支撑。

图1. Oklo的Aurora“核电站”使用金属燃料产生热能。“热管将热能输送给热交换器,而动力转换循环将热能转化为电力”。最近,Oklo获准在爱达荷国家实验室科技园区建造它设计的电站。这个模块化的斜屋顶在设计时考虑到大量降雪,同时也为太阳能光伏板提供支撑。

Oklo公司联合创始人兼首席执行官雅克布·威特(Jacob DeWitte),曾在2月17日独家采访中告诉《电力》杂志,该公司自2016年以来一直就Aurora的设计,在与美国核管理委员会(NRC)进行取证前的活动,并将在月底之前提交许可申请[3]。他说,“我们正在考虑为期两年、甚至更合适的时间表”。至于何时能在INL开始示范,Oklo还没有明确说明。“一般来说,2022-2024年之间是我们考虑的时间范围”。

DeWitte还指出,Oklo向NRC提交许可证申请,将成为美国第一个民用微堆和非水冷堆。从INL获得第一个场地使用许可,而且有机会使用HALEU,已经是“相当大的进步,可以在本世纪20年代,尽早用所有关键部件进行先进堆示范”。

HALEU生产一大

DOE努力弥合HALEU生产的巨大差距,同样是选择的重大步骤。也就是说,它对推动先进堆设计的发展至关重要。与此同时,DOE最近还采取了一系列另外的、引人注目的措施,加快商用HALEU生产。

2019年1月,时任DOE副部长、现任部长的Dan Brouillette宣布,DOE确保2020年10月演示HALEU生产,这就是DOE位于俄亥俄州、Piketon的浓缩铀设施美国离心机厂(ACP)首个1.15亿美元的项目。2019年11月,DOE与森特勒斯能源公司(Centrus Energy)正式签署为期三年的合同,部署一系列离心机,示范生产这种先进的核燃料。根据合同,Centrus将取证、建造、组装和运营AC100M型离心机和相关基础设施,以级联结构生产HALEU。然而,能源部的文件显示,今年可能开始建造以平衡离心机。尽管合同将持续到2022年,但该项目可能会在2021年9月完成。

与此同时,2月中旬,DOE国家核安全局(NNSA)与BWX技术的子公司BWXT核业务集团签署初始价值$360万的合同,退役弗吉尼亚州林奇堡设施的某些部分,整修某些部分,并准备到2024年即生产高含量低浓缩铀的铀-钼合金(U-Mo HALEU)。这种燃料将用于联邦政府运营的美国研究堆。目前这些反应堆换料的燃料是高浓缩铀(HEU)。BWXT说,该公司一直在自行研发、2006年开始与NNSA合作研究U-Mo HALEU燃料,“旨在保持堆的性能,同时降低核扩散的风险”。

与此同时,BWXT也准备在今年年底恢复其TRISO颗粒核燃料,即HALEU型燃料生产线。这种燃料由很小、涂有各种硅和碳基材料的铀核组成,旨在承受极高的温度,核扩散的担忧和环境风险极小。BWXT告诉《电力》杂志,它现有的TRISO生产能力能够满足国防部微堆的新需求、NASA核热推进的技术条件,以及民用先进堆的要求。它暗示,提高产能以满足需求是当务之急。还特别指出,它目前拥有美国唯一的私营1类许可证,也可以用来生产HALEU所需的第2类物质,但“为此,可能需要几年时间和大量投资”。

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INL小批量生产HALEU工艺

建立HALEU商业市场之前,需要清晰示范更多先进的核反应堆,而且最终上网发电。INL将带头努力,以提供研究和示范所需燃料。目前,它计划通过回收和处理19 MWe的 EBR-II(1963-1994年运行的示范快堆,)用过的燃料中的高浓铀(早先加工处理过),为OKLO提供HALEU。

把高浓铀(HEU)稀释为HALEU的过程,包括三步式的电冶金处理。首先,准备辐照过的燃料,再放入熔盐电提纯炉,以促进从裂变产物和超铀元素中回收金属铀。然后,回收的铀经过真空蒸馏,清除电提纯的盐,并将其稀释到U-235浓度小于20%。最后,通过加热,重新定型回收的金属铀,并浇铸成剂量小、体积缩小的HALEU“铀块”,以支持燃料加工。 

先进核能的重要里程碑:Aurora微型堆核电厂可能对未来核能产生广泛影响
图2. DOE已在INL通过加工和处理现已退役的实验增殖堆-II中用过的燃料,建立了生产HALEU的能力。

这个过程将使INL生产多达10吨HALEU,用于研究、开发和示范。Oklo首席运营官科克伦(Cochran)告诉《power》杂志,即使是Oklo能够获得的“一小部分”,也足以使这个示范装置发电20年,而无需换料。DeWitte补充说,Oklo希望建造的示范装置是完整的Aurora型机组,而且要运行整个寿期,以获得尽可能多的数据和经验,那对未来的机组至关重要。“然而,从纯技术角度看,装置的寿命很可能达到5个20年”。

这个过程也给INL留下足够的HALEU,用于该实验室新成立的国家反应堆创新中心支持各个实体,开发其他先进的核反应堆。这个中心是个测试、示范、性能评估的中心,主要目的是加速先进核技术概念的部署。INL的Wagner博士2月18日曾补充说,INL正在继续与其他申请者进行讨论,看看实验室如何支持他们的努力。

尽管INL2月18日告诉《电力》杂志,“其他的HALEU来源可以用来支持研发演示,并将在需要时提供”,但尚不清楚该实验室是否会继续寻求其他生产HALEU的方法。INL的文件注明的日期早在2019年6月,暗示该实验室计划通过全尺寸中试规模的装置试验,支持先进堆,即用ZIRCEX(提取锆)工艺,基本上清除核燃料的锆或铝包壳,使用“非常紧凑,模块化的溶剂萃取系统”从裂变产物中提纯铀。然后,将铀稀释至U-235浓度20%以下,再进行固化和燃料加工。目前,ZIRCEX项目似乎仍处于研究阶段。

尽管已证明,HALEU对SMR和其他先进核技术的商业化至关重要,但为INL的未来研究倡议提供资金仍然是一个问题。2020财政年度认可DOE的预算,包括出资支持处理EBR-II用过的燃料,但未来的资金仍需得到国会的批准。值得注意的是,DOE最新的预算提案大幅削减了对先进堆示范项目的资助,燃料循环研发的资金削减了近一半。 

图3. 熔盐电提纯炉图解
图3. 熔盐电提纯炉图解

核能范式的重大转变

最后,也许最关键的是,选择的最重要、使核能行业增长停滞了数十年的两个痛点:新堆建设和核废料处置

DeWitte指出,OKLO建全尺寸示范装置的计划,与传统的“范式转移”方法截然不同。往往证明传统方法成本过高,而且面临无法克服的挑战。而这个项目比传统的反应堆项目小得多,它在INL科技园区的厂址占地不到四分之一英亩(1011.7 m2)。尽管如此,他说,”考虑到所需的资金规模,还需要具备一定的经济条件,才能对投资感到放心”。

他说,“从非常小的规模起步,可以让我们在商业模式方面更精简、更灵活,也是非常重要的方面。作为一个风险投资公司,我们可以基于非常敏捷的时间表做事,但也要利用资本,使我们能做诸如建首个全新的反应堆这样的事,可以从中学习,也可也帮助我们…成为展厅那样的模型。这对商业应用有很大价值”。 

图4. 2018年1月,POWER绘制了核工业在短暂的历史中放弃的近50个核反应堆项目的地图,原因是预测负荷低的不确定性上升;建设融资约束与项目撤销;国家认证的障碍。
图4. 2018年1月,POWER绘制了核工业在短暂的历史中放弃的近50个核反应堆项目的地图,原因是预测负荷低的不确定性上升;建设融资约束与项目撤销;国家认证的障碍。

DeWitte指出,这个公告[2]的另一个有趣之处,“在于它表明,实际上可以重复利用乏核燃料(SNF)”。这方面很重要,因为美国的核废料管理已经停滞近30年,主要原因是在处置SNF的问题上陷入政治僵局。据NEI说,今天超过84000吨的SNF还暂时储存在35个州的水池和混凝土桶内。

DOE在最新的预算申请中暗示,它将探索国会强制执行的尤卡山(核废物处置库)的替代方案,但没有提供多少细节。然而,预算中提出的2.95亿美元用于资助实验性的多用途试验堆(VTR),同类首个快堆(也是INL牵头的另一重要项目),可以帮助私营部门开发和示范新技术。

DOE推荐的VTR,大概就是个钠冷池式反应堆,使用金属合金燃料(包括HALEU),2026年投入运行,建造成本在30-60亿美元之间。然而,正如《电力》杂志报道的,引人注目的是,因为它集中于快中子系统,相对于热堆,快中子堆系统有潜力从铀中提取60倍以上的能量,而且有助于显著减少放射性废物的负担。最近全世界对快堆的兴趣激增。尽管技术进步和运行经验也在增长,目前的科技仍然面临技术、监管和经济方面的挑战。

但是,Aurora首堆示范很重要,还有另一个原因。 DeWitte 称该项目的新颖之处在于,使用HALEU在材料上是“孤独者之旅”。但他强调说,这并不难于应对。他说,这个研究机会可以让开发人员深入了解那些经常引用的主要障碍,包括取证、燃料循环和更大的燃料供应链。然而,现有核系统的许多方面,包括基础设施、取证和技术,甚至更高浓缩度的燃料,都已解决。他说,“归根到底,就是如何对待、观察和管理HALEU的问题”。“把‘HA’(代表高含量)放在LEU(低浓缩铀)的前面,唯一原因是,今天的核反应堆实际上并不使用LEU,因此,根据由此产生的各种考虑,划定了个轮廓。这有点简单化,但说到底就是LEU”。

以“偶像”为基础准备成为“标志”

问OKLO是否预料到,使用像HALEU这样再循环的燃料,其中可能包含剩余的放射性核素成分,某些先进堆并不能应对,OKLO会面临任何具体的技术挑战时,DeWitte说,因为Aurora是快堆,本质上具有容忍杂质的能力,而且仍能高效运行。他解释说,“因为这种材料已经在另一核反应堆(EBR-II)内辐照过,而这也是让我们激动之处。因为EBR-II对我们有重大的启发:它仍然含有微量污染物,即使INL能够清理很多,其中某些杂质仍然“穿透”工艺流程和稀释过程,保留下来。重复使用铀的一个方面是,U-235、U-234和U-236 同位素的组份也略有不同,但都是相对极其微量的,而且会继续存在。而在慢中子或者热中子反应堆内,这些杂质以及其他杂质的影响更明显也更重要,而在快堆中,几乎没有任何后果”。

DeWitte说,“这并不影响反应堆运行。然而,在燃料处理和制造方面有影响”。OKLO一直在努力了解不同物料的注意事项,包括在商用过程中需要解决什么问题。“好消息是,EBR-II已经证明这种先进再循环方法,然而在这儿行不通,因为我们没有使用相同的工艺。他们能从反应堆正确地再循环核燃料,然后用大量材料,以及更高的锕系元素、钚和其他东西,重新铸造它,而且能加工、并把它返回装入反应堆。他们能在10秒内用上千个燃料元件这么做,从长远来看,这非常令人兴奋”。他说,对于先进核能的未来,重要的是确保拥有正确的基础设施,确保核工业拥有正确的燃料。

微型核能的经济价值

DeWitte和Cochran特别指出,由于存在这样的不确定性,示范肯定会使之更加明瞭。与现有的小型发电技术相比,首个Aurora机组的成本效益不会引人注目。德威特特别指出,“但它有另外的商业价值”。“而且有后续的机组,我们就有个非常有力而清晰的案例,说明我们将展示竞争的经济领域,主要是依赖柴油启动的离网和偏远的市场”。

DeWitte提到,最重要的经济因素是HALEU的能量密度。他说,尽管先进堆的HALEU浓缩燃料百分比各不相同,但“越小,范围越接近19.75%。我们就在这个范围内,但确切数字还没有公开”。HALEU适用于先进堆“答案简单”,因为它能“长时间高效使用燃料”,而且这种燃料使之更容易挖掘潜力。他特别指出,由于同样的原因,现有的轻水堆群正越来越多地采用先进燃料,如“容错”燃料。

DeWitte特别指出,“当我们想到,我们的燃料浓缩百分数比最接近的替代选择的能量密度还高,真的非常高兴”。“而这样做的经济好处在于,它将成为推动新一波先进堆部署的根本动力。当然,也会带来广泛的经济效益,以及由此带来的零排放。他说,如Aurora提供的,与简单、固有和非能动安全相结合的先进设计,包括自我稳定在内,“使人们能在设计空间中做很多事情,真的有助于降低成本”。

从长远看,考虑到OKLO技术的经验和代际发展,公司的成本竞争力目标为 $0.05/kWh。DeWitte说,”有个燃料资源能带来数百万美元竞争优势,当然最好是在经济上有竞争力”。“我认为我们很有可能做到这一点。”

目前美国运行核电总量占世界第一,但中国在建核电总量“雄踞榜首”,而且会把美国抛在后边。这让许多国人非常自豪,我们有许多“知识产权”,有许多建设和运行经验。但也要警惕,不能盲目自满。要研究世界核能的发展趋势,不能存在糊涂观念。宋诺·帕尔特( Sonal Patel)的综合报道和评论的启示在于:站在不同高度,用不同的眼光,不同的思维方式,看待世界,会有不同见解。但归根结底看经济,现在又多了全球气候变化、减排和环境安全,中国的历史责任很重。谦虚谨慎,不过高估计自己的优势,不只看局部和眼前。强调特殊,拒绝改变,必然停滞,错过发展时机…… [编译 镜清]

资料与注释

1. Sonal Patel,Exclusive: Why Oklo’s Demonstration of HALEU Could Be Groundbreaking for New Nuclear,POWER,Feb 20, 2020

2. INL,INL SELECTS OKLO INC. FOR OPPORTUNITY TO DEMONSTRATE REUSE OF FUEL MATERIAL,Feb. 19, 2020

3. 实际提交申请的日期是3月18日。详见:

Rod Adams,Oklo has filed first combined license application (COLA) with the NRC since 2009,Atomic Insights,March 18, 2020;

Sonal Patel,Oklo Submits First Non-LWR Combined License Application to NRC,POWER,2020-03-20

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