先进核能:气候技术卷土重来的故事

原子的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物质的最小可能单位，它的名字源于古希腊的“不可切”。然后，在20世纪初，科学家们找到了一种分裂大原子的方法，即用任性的中子轰击它们，释放出巨大的能量。这个过程不仅可以产生大量的热量和能量，而且不会排放导致气候变暖的气体。

不幸的是，这项突破几乎刚一实现，它就被滥用了。起初，它被故意误用，作为一种暴力手段。今年夏天是美国轰炸广岛和长崎75周年纪念日，那次轰炸在日本造成10万到20万人死亡。这是在军事冲突中使用原子武器的唯一一次，但自那以后，特别是在冷战期间，原子弹的幽灵一直笼罩在人们的心头。

由于疏忽和设计不良，核技术也曾被无意中误用。切尔诺贝利(Chernobyl)、三里岛(Three Mile Island)和福岛(Fukushima)等事故，让人们对核能作为一种清洁可靠的能源的潜力产生了怀疑。

不可否认的是，核能一旦出了问题，就会带来真实而严重的风险。这也许就是核工程在过去几十年里在美国步履蹒跚的原因。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在21世纪的商业运营的核反应堆。全球范围内，核工业预计将出现年复合增长率为2.5％（中国）之间的范围内，以2.8％（德国）。

然而，新一代核技术可能会改变这一前景。它的支持者正试图修补过去的缺陷，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、低碳的能源来源。

“这就像汽车或飞机怎么现在从他们分别为15，20，30，40年前不同的一点，”雅格布Buongiorno公司，核工程教授在麻省理工学院（MIT）说。“这是一个与核一样的。现在你买一个模型2020奔驰。你不是从1965年购买标致”

目前已有许多核能发电技术的新型号，在大小、设计和市场准备方面各不相同，但它们都具有一些关键的特点，旨在使它们比以前的型号更安全、更通用。

一些专家怀疑，这些新技术能否以合理的成本、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不能实现预期的优势，而在可预见的未来，美国政府似乎不太可能提供补贴。

“如果这听起来好得令人难以置信，那它很可能就是真的，”忧心者科学家联盟(Union of Concerned Scientists)核能安全主管埃德温•莱曼(Edwin Lyman)说。

就像任何东山再起的故事一样，也有许多重大的障碍需要克服，而且不能保证成功。然而，救赎之路也有一些迷人之处。尤其值得一提的是，核能倡导者认为，在21世纪救赎核能的途径有三个机会。

机会1:裁员

核能领域最近最大的进步之一就是使反应堆更小。20世纪的反应堆都是造价昂贵的庞然大物。这些大型电厂可以产生足够的能量为数百万家庭供电，但建造它们也需要几十年的时间和数十亿美元。

核能的最新趋势是小型模块化反应堆(SMR)，它产生的能量只有传统反应堆的一小部分，但成本也只有传统反应堆的一小部分。现有的核反应堆能产生500兆瓦到10亿瓦特的电力。smr产生的功率小于300mw。

小型反应堆的一个好处是，它们比以前的反应堆更加灵活。一个反应堆可以适用于能源需求较低的项目，而多个反应堆可以被添加到能源需求较高的项目中，比如在货运列车上安装更多的汽车，或者将更多的灯泡连接到一串节日彩灯上。

NuScale可以说，这家总部位于俄勒冈州的公司在SMR技术方面取得了最大的进展。其反应堆的容量为60mw，足以为50,000户家庭供电。该公司最近收到美国核管理委员会(NRC)对其初步设计进行了批准，使其设计成为最接近于为小型核反应堆开绿灯的设计。

“这对我们来说是一个巨大的里程碑，”NuScale的首席技术官Jose Reyes说。

在a的帮助下13.5亿美元的赠款来自美国能源部，NuScale正在计划建设的美国第一个小规模的核电项目。该工厂将包括12堆卖电给在犹他州城市的一个财团，与第一反应器2029年打开。

雷耶斯说:“我们相信，就我们在安全方面所做的事情，以及在向部署反应堆的不同范式迈进方面，我们正在铺平道路。”

犹他州的项目还有很长的路要走，在过去的几个月里陷入了困境延迟时间,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，但它绝不是空的。许多公司都在试图在本世纪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定位在靠近易燃化学设施的地方，很明显这会带来新的担忧。

像NuScale一样，许多这样的公司都在考虑小问题，但也有一些公司有不同的想法。NuScale的反应堆是20世纪核电站反应堆的小型版本，后者使用水来冷却堆芯的高温反应。较新的技术是用熔盐或高温气体来冷却反应。

陆地能源这家总部位于安大略省的公司正在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年前获得两座电厂的许可并建成，每座电厂的装机容量为195兆瓦。

佳能布莱恩，陆地的首席财务官指出，建设小不只是一个实际的机会，这是一个财务。他观察到，私人投资者都不愿意背个项目将花费超过$ 1十亿，但支出小于是一个不同的故事。

他说:“就部署而言，目前全球核能行业面临的最大单一限制是前期成本。”

Buongiorno还将成本视为一个关键门槛，尤其是当小型核电站进入电网，与其他发电来源竞争，但也补充它们的时候。

“它们将和可再生能源很好地结合在一起，”他说，“因为当没有太阳，没有风的时候，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?如果这个系统的平均电力成本太高，那么人们就不会购买它们，他们可能会发现购买大型存储设备更有利。”

对于离网应用，一些核技术公司考虑的甚至比“小”还要小。一些公司正在研制50兆瓦以下的“微型”反应堆，有些甚至小到1兆瓦。这些微反应堆可以为矿山以及未连接或连接不紧密的社区提供电力。

其中一个公司是超级安全核公司该公司开发了一个容量为5兆瓦的氦冷却微反应堆。Mark Mitchell, USNC的电力部门的总裁，指出从小到大是同样的道路适用于可再生能源，如太阳能。

“它代表做核极力模仿的可再生能源企业如何在过去的10年工作和缩放的一种新的方式，”他说。“如果核可再生能源学会的教训，我认为这将是非常强大的。”

布赖恩强调，有各种尺寸的打开大门，广泛的一套核应用，在某种程度上，这在以前是不可能的。“今天是唯一可用的类型的核电站都是一个尺寸：巨大的，一个尺寸不适合所有的，”他说

机会2:多功能性

当涉及到能源发电，电力仅仅是个开始。超过80％世界上的能源有很大一部分用于非电力用途，如工业加工和运输。好用的买球外围app网站从这个意义上说，20世纪的核电站本质上是巨型的“一技小马”，因为它们唯一的功能就是发电。下一代的核能有可能会有其他的诡计，而这些诡计的基础是热量。

布赖恩说:“我们在社会上遇到的大多数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。”“这是一个核能创新可以竞争的巨大市场，除了化石燃料，没有其他技术可以真正竞争。”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，这是一场博弈。”

传统的反应堆不能超过华氏572度，否则冷却剂将开始过快蒸发，从而造成重大的安全风险。然而，对于可以达到1292华氏度的熔盐反应堆和可以达到1652华氏度的高温气体反应堆来说，这都不是问题。

Bryan说，大多数工业设施需要25到150兆瓦的能源，这意味着在大多数情况下，只要能降低成本，小型反应堆至少在理论上能够取代化石燃料来满足工业需求。

而这只是今天的工业生产过程。低碳未来将需要一整套新能源密集的过程。结合热，蒸汽和电力是一种有效的配方用于从水中拉出氢和使用它的氢燃料。热火制造钢筋和混凝土的关键，一些最有挑战性的领域的脱碳。为了有一个净利益，捕捉二氧化碳直接需要低碳的热能或电能。所有这些过程都有可能由小型高温核反应堆提供动力。

Buongiorno说:“如果你可以使用核反应堆，那么你就可以开始对那些用电力无法触及的领域进行脱碳。”

然而，李曼等安全专家警告说，工业应用会带来额外的风险。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:“如果将核反应堆放置在易燃化学设施附近，显然会引发新的担忧。”

机会3:设计更安全

从气候角度看，这是令人鼓舞的想象未来充满了小核电厂的家具便宜，丰富，低碳节能的多种目的。然而，有些人会觉得不安住小核电厂附近。核技术需要保证毫无疑问的任何影子安全。这就是为什么先进核能公司计划固有的安全功能，他们希望将使得许多潜在的灾难不只是不可能的，但不可能。

安全风险一般可分为三大类。首先，核燃料有可能落入坏人之手，被用来制造核武器。然后，就有了核电站发生故障并释放有毒辐射的风险。最后，不管储存在哪里，剩余的材料都有可能造成危险。

让我们从解决武器扩散风险的措施开始。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非常不同。放射性铀的浓度要低得多，而获得更高浓度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可以运输。这意味着，即使反应堆本身分布广泛，它们也可以被设计成只在一个安全的中心位置添加或移除燃料。

这些因素并不能排除核材料落入不法分子手中的风险，但它们有助于确保核能行业有别于武器生产。

接下来，有灾难性事故的风险。这是一个在过去发生的每个故障一直是学习经验，领先于旨在消除再次发生的同样问题的可能性，即使在极端或不可能的条件增强设计。这就是所谓的固有安全性。

例如，福岛核泄漏是在海啸破坏了电力供应之后发生的。先进的核设计使用被动冷却技术，这种技术依赖重力，不需要外部动力。在福岛，用于冷却核电站的水蒸发掉了。像努斯凯尔这样的小型核反应堆，如果周围没有水，就会从周围的空气中冷却，正如前面提到的，熔盐和高温气体等冷却剂不会蒸发掉。

最终，当反应堆发生故障时，固体燃料会融化并从它所在的区域渗出，因此出现了“熔解”一词。气体反应堆使用燃料球每个反应堆都有一层保护层，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，这完全消除了熔毁的风险。

“你不能融化已经是液态的东西，”布莱恩说。

然而，这些新型冷却剂也有其自身的挑战和复杂性，比如如何控制高温过程或计算副产品。传统反应堆已经开发了多层保护，可能需要先进技术来挑选出额外的安全机制，以补充设计中已经内置的安全机制。

李曼说:“如果你过分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是合理的，那么你最终会得到不那么安全的东西。”

最后，还有核废料，核专家称之为“乏燃料”。一些反应堆使用所谓的a快速反应它能将用过的燃料转化为可用的物质，最终产物的放射性要低得多，或者如果这个过程重复足够多次的话，可能不会产生任何额外的物质。

然而，快反应堆比其他反应堆更难稳定，因为其他反应堆有内部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，这可能是永久销毁武器库存的有效方法，但也会带来进一步扩散的风险。

实际上，大多数先进的反应堆可能会产生某种需要安全储存几个世纪的乏燃料。目前，在美国，乏燃料储存在核电站的现场，这从长远来看是不可持续的。

找到一个更永久的地方来储存这些乏燃料一直很棘手。最值得注意的是，由于当地反对，在内华达州的尤卡山(Yucca Mountain)建立一个储藏库的计划被无限期推迟。

“问题一直是政治进程，而在美国，我们犯了灾难性的错误，”Buongiorno说。

最终，社会许可确实是反应堆设计的前沿。

然而，欧洲国家如芬兰是已经建立存放地点他们在周围社区的支持和支持下向前推进。一旦建立了这样的仓库，它们只需要储存适量的乏燃料。

Buongiorno在巧妙的视觉化方面很有一套，他帮助我把废燃料的数量放到上下文中。他说:“如果你我一生都使用核能，那么高水平的核废料……就能装进一个茶杯。”“你的一生，就只有核电，这就是你所产生的浪费。”

显然，这些茶杯会加起来，而且它们是有放射性的，但如果政治问题能够得到解决，这将是一个可控的材料量，对于先进的反应堆和传统的反应堆都是如此。

不过，这是不是茶的每个人的杯子。所有这些安全措施无法保证先进核能将是绝对无风险，尤其是在目前还没有投入商业运行任何先进的核电厂。人们总是用新技术未知的未知的潜力，并在核能的情况下，错误可能是灾难性的。是较老的技术已经有经验的错误和关闭的事实并不能帮助。

他说:“当你谈到开发一种全新的、没有任何操作经验的反应堆时，关键的考虑之一就是要把所有的不确定性都考虑进去。”

我采访过的每一家核技术公司都强调要认真对待核安全问题。美国超安全核公司(USNC)甚至选择把安全放在最重要的位置，将其作为公司名称的一部分。

米切尔说:“我们的品牌对我们自己和整个行业都是一个挑战。”

这种安全第一的方法超越了嘴皮。公司需要显示安全的彻底的证据，以获得必要在诸如美国，加拿大等国家建立新的核电厂的监管机构的批准。

然而，莱曼担心，核公司和NRC正在加速这一进程，将未经验证的技术推向市场。

“核管理委员会是在相当多的业界和国会不装东西了压力，”他说。

除了正式的监管程序，还有舆论法庭，这是企业考虑每一种可能的风险的另一个原因，甚至是那些看似不可能的风险。

“这些都是显而易见的问题，”该公司首席执行官卡尔·佩雷斯(Carl Perez)说的Elysium工业已经设计了大规模熔融盐反应器内的公司。这就足以把它当作一个问题了。归根结底，社会许可确实是反应堆设计的前沿。”

核的下一个行动

核电已经采取了幕后角色，以可再生能源作为一种清洁和有前途的能源选择，但它在重新进入到了风头的边缘，可能比有些人可能希望更快。

“很多人普遍认为，这些技术很棒，但它们在30年、40年、50年后才会成熟。我们在这里要说的是，这是垃圾，”布莱恩说。

甚至连小原子高能量结合的核聚变(如太阳内部发生的情况)似乎也更加复杂在可能的范围内。

这项技术进步令人兴奋，因为核能被一些人视为解决气候变化的重要工具。Buongiorno和其他核研究团队在世界多个地区对减少电力部门的排放进行了设想他们发现先进的核裂变技术对于以最低的成本获得最低的碳是至关重要的。

“如果我们认真对待脱碳问题，核能真的可以而且应该发挥作用，”Buongiorno说。

如果你说你必须有核电作为系统的一部分，不管是什么开始，那么你可以拿出错误的答案是关于安全的，你需要的水平。

长期以来一直反对核技术的“忧心者联盟”(Union of Concerned Scientists)也加入了进来识别核能作为一种无碳能源的价值，尽管该组织继续推动尽可能严格的安全考虑。

李曼说:“如果你一开始就说无论如何都要把核电作为系统的一部分，那么你就可能在需要的安全水平方面给出错误的答案。”

一些核拥护者看到脱碳作为一个迫切需要考虑更多。佩雷斯是持怀疑态度的小型模块化反应堆。他的公司正在寻求建立在世界的一些地方的能源需求迅速增加大熔盐堆（超过1 GW）。

“我们希望以多快的速度让世界脱碳?”因为如果我们想要这么快，那么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。欧克陆设计了一个1.5兆瓦的微反应堆，其创始人还将该公司的技术视为应对气候变化所需的各种解决方案的一部分。

“已经深度脱碳的国家使用核能和可再生能源，”欧克陆公司的首席运营官卡罗琳·科克伦(Caroline Cochran)说。“这是我们真正需要做的，如果我们想要快速脱碳，我们必须这样做，如果我们不想出现任何大规模生态系统崩溃的假象。”

欧克陆得名于加蓬的欧克陆地区，那里是铀矿床形成的地方自然裂变反应堆20亿年以来一直深埋在地球表面之下这个名字的选择是一个提醒，核裂变一直是世界的一部分，尽管人类只是在最近偶然发现它。