新一代核反应堆可能是绿色未来的关键

2021-11-18 18:31:58 来源网络
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在位于硅谷中心的会议室白板上,Jacob DeWitte 描绘了他的初创公司的第一个产品。在红色标记中,它看起来像 Koozie 中的啤酒罐,被一根疯狂的吸管卡住。在现实生活中,它大约有一个热水浴缸那么大,由一系列奇异的材料制成,如锆和铀。在精心控制的条件下,它们将相互作用以产生热量,进而产生电力——价值 1.5 兆瓦,足以为社区或工厂供电。DeWitte 的小发电厂可以在不加油的情况下运行十年,而且令人惊讶的是,它不会排放碳。“这是一个金属热电池,”他腼腆地说。但更多时候德维特称它为另一个名字:核反应堆。
新一代核反应堆可能是绿色未来的关键(图1)
 
裂变不适合胆小的人。建造一个可以工作的反应堆——即使是一个非常小的反应堆——需要精确而艰苦的工程和推纸工作。可以理解,法规是详尽无遗的。燃料很难买到——Gas-N-Sip 不卖铀。但 DeWitte 计划在 2023 年左右开启他的第一个反应堆的开关,距他共同创立公司 Oklo 仅十年时间。在那之后,他们想像特斯拉为电动汽车所做的那样为邻里核武器做事:使用小众且昂贵的第一个版本作为迈向更便宜、更大、更高产量产品的垫脚石。在 Oklo 的案例中,这意味着从为偏远社区设计的“微反应器”开始,例如阿拉斯加村庄,目前依赖卡车、驳船甚至空运的柴油燃料,费用过高。
 
在全球气候峰会上,在国会走廊和美国各地的州议会大厦,核电已成为碳减排计划有争议的基石。每个人都知道他们需要它。但鉴于它的事故历史,没有人真的确定他们想要它。或者即使他们能够及时实现紧急气候目标,考虑到建设需要多长时间。Oklo 是越来越多的公司之一,致力于通过将反应堆放入更安全、更易于建造和更小的包装中来解决这些问题。他们都没有准备好扩大到市场水平的生产,但考虑到目前对该技术的投资,以及越来越多的人意识到我们将无法在没有核能的情况下摆脱化石燃料,这是一个可以打赌,其中至少有一个会改变游戏规则。
 
如果现有工厂的能源相当于一个 2 升汽水瓶,拥有 1,000 兆瓦以上的巨型反应堆,那么 Oklo 的策略是制造罐头反应堆。每兆瓦的建设成本可能更高,至少一开始是这样。但在工厂生产单元将使公司有机会改进其流程并降低成本。Oklo 将开创一种新模式。即使对于大型公用事业公司来说,核电站也不再需要把公司押在大公司身上。风险资本家可以支持扩展到全球市场的潜力。气候鹰派应该讨好零碳能源选择,以补充迅速增长的风能和太阳能供应。与今天的工厂不同,它们在全速运行时效率最高,这使得它们难以适应越来越多由可变电源供电的电网(并非每天都是晴天或多风),

设计这些创新很困难。Oklo 的 30 名员工正忙于解开安全性和复杂性的问题,这些问题导致建造核电站的成本上升到平流层,并且几乎停止了他们在美国的建设“如果这项技术是全新的,就像裂变是最近的突破一样10 或 15 年前在实验室外——我们会讨论建造我们的第 30 个反应堆,”德维特说。
 
但裂变是一项古老且令人担忧的技术,公用事业公司现在正争先恐后地保持现有庞大的核电站开放。在经济上,他们难以与廉价的天然气以及风能和太阳能竞争,这些通常由政府补贴。然而,像法国和英国这样计划逐步淘汰核能的以气候为重点的国家反而加倍下注。(10 月,法国总统埃马纽埃尔·马克龙(Emmanuel Macron)放弃了关闭 14 座反应堆的计划,11 月,他宣布该国将开始建造新的反应堆。)在格拉斯哥联合国气候峰会上,美国宣布支持波兰、肯尼亚、乌克兰、巴西、罗马尼亚和印度尼西亚开发自己的新核电站——而欧洲谈判代表则保证核能算作“绿色”。与此同时,民主党人和共和党人(出乎所有人的意料)经常在核能的好处上保持一致——并且在许多情况下,他们将钱包的权力放在背后,既要保持美国的旧工厂开放,又要加快国内外新技术的发展。
 
它在已经改变了一个世纪进程的技术生命中出现了一个明显奇怪的时刻,现在又想在另一个世纪中有所作为。美国有93 座正在运行的核反应堆;它们合计供应美国20%的电力和 50% 的无碳电力。核能应该是一种气候解决方案,同时满足技术和经济需求。但是,虽然现有工厂最终以令人羡慕的效率运行(经过 40 年的解决),但下一代设计距离我们能源供应中的利基参与者还有十年的时间。每个人都想要稳定的电力供应,而不是依赖煤炭。矛盾的是,核电就在眼前,却遥不可及。
 
为了改变这种情况,必须在旧核电站消退之前出现“新核”。它必须与其他领域的技术进步保持同步,例如长期储能,每一次渐进式改进都增加了可再生能源为我们提供更多电力的潜力。它必须比碳捕集技术便宜,碳捕集技术可以让灵活的天然气工厂在不受气候影响的情况下运行(但规模建设仍然太昂贵)。最后,它必须在我们放弃之前到来——在气候灾难的幽灵造成集体“厄运”之前,我们停止尝试改变。
 
并非所有人都认为核能及时自我改造。美国政府机构美国核管理委员会 (NRC) 前主席艾莉森·麦克法兰 (Allison Macfarlane) 预测:“在避免气候变化迫在眉睫的影响方面,即使是最前沿的核技术也将证明为时已晚。”单独负责批准新工厂。一种稳定、安全、已知的能源能否迎合这种情况,还是会因为太昂贵、太冒险和太迟而被抛弃?
 
 
实验室人员在洛斯阿拉莫斯国家实验室的舍伍德项目中开发聚变装置,1958 年 JR 艾尔曼——生活图片集/Shutterstock
再试一次
核能匆匆忙忙地开始了。1942年,在二战最深的泥潭中,美国开始了曼哈顿计划,大力发展原子武器。它在全国各地的秘密地点雇用了 130,000 人,其中最著名的是位于新墨西哥州阿尔伯克基附近的洛斯阿拉莫斯实验室,罗伯特·奥本海默 (Robert Oppenheimer) 在这里领导了第一颗原子弹的设计和制造。36 岁的德维特在附近长大。即使作为 90 年代的孩子,他也沉浸在该州的核历史中,并全神贯注于其工程的可怕成功和其材料的力量。“它的能量密度非常高,”DeWitte 说。“一个铀高尔夫球可以为你的一生提供动力!”
 
DeWitte 几乎从字面上理解了这种溴化物。他于 2013 年与卡罗琳·科克伦 (Caroline Cochran) 共同创立了 Oklo,当时两人都是麻省理工学院核工程专业的研究生。当他们于 2007 年和 2008 年抵达马萨诸塞州剑桥市时,核工业正处于危险之中。当时的总统候选人巴拉克·奥巴马 (Barack Obama) 表达了一种新的渴望,即通过减少碳排放来应对气候变化——这在当时意味着更少的煤炭和更多的核能。(风能和太阳能仍然是一个昙花一现的东西。)这很容易出售。在竞争激烈的电力市场中,核电站是有利可图的。当时美国104座运行中的反应堆运行平稳。自 1986 年切尔诺贝利事故以来,还没有发生过重大事故。
 
该行业兴奋地为“核复兴”做好了准备。在兴趣达到顶峰时,NRC 曾申请在美国建造 30 座新反应堆,但只会建造两座。压裂热潮带来的廉价天然气开始压低电价,削弱核能的利润。风能和太阳能等新获得补贴的可再生能源增加了更多的发电量,进一步使市场饱和。2011 年 3 月 11 日,地震和随后的海啸席卷日本福岛第一核电站,导致其三个反应堆全部熔毁,154,000 人撤离,该行业的棺材完全被钉住了。美国不仅不会复兴,而且现有的工厂必须证明它们的安全是合理的。日本关闭了其 50 座运行中的反应堆中的 46 座。德国关闭了其 17 个中的 11 个。 美国 舰队在政治上坚持下去,但在经济上却难以竞争。自从在福岛,12 座美国反应堆已经开始退役,另外还有 3 座计划退役。
 
在麻省理工学院,科克伦和德维特——他们在 2009 年一起为核反应堆课程助教,并于 2011 年结婚——对这次挫折感到沮丧。“就像,那里有所有这些很酷的技术。让我们用它做点什么吧,”Cochran 说。但对于创新者来说,核工业从来都不是一个轻松的地方。在美国,其作战队伍长期以来一直由“敲门人”——海军核舰队的军官团主导。,在做事的方式上接受过适当的培训,但对以不同的方式做事不太感兴趣。各国政府一直对核能保持严格控制。几十年来,这项技术一直处于笼罩之下。个人计算革命,然后是互联网的疯狂兴起,进一步耗尽了工程人才。从 DeWitte 和 Cochran 的角度来看,当福岛和水力压裂技术完全使事情停止时,核能工业已经僵化了。“你最终达到了这样的程度,我们必须尝试不同的东西,”DeWitte 说。
 
他和科克伦开始谨慎地召集他们的麻省理工学院同学进行头脑风暴会议。核专家往往对他们最喜欢的原子分裂方法持教条主义态度,但他们保持不可知论。“我并没有开始认为我们必须以不同的方式做每件事,”DeWitte 说。相反,他们有一种预感,即边际改进可能会产生重大结果,如果它们可以分散到行业的所有常见障碍中——无论是监管方法、商业模式、系统本身的工程设计,还是实际构建它们的挑战。


 
2013 年,Cochran 和 DeWitte 开始在 Airbnb 上出租他们剑桥家中的空余房间。他们的第一批客人是一对来自阿拉斯加的老师。他们任教的偏远社区依赖柴油发电,成本巨大。能源短缺创造了一个机会:在这样的环境中,即使是非常昂贵的核反应堆也可能比目前的系统便宜。两人的目标是每兆瓦时 100 美元,是典型能源成本的两倍多。他们设想利用这个高成本的早期市场作为扩大制造规模的途径。他们意识到,要使其经济运行,他们不必重新发明反应器技术,只需重新发明生产和销售流程。他们决定拥有自己的反应堆并供电,而不是自己供应反应堆——更像是今天的太阳能或风能开发商。“这不是技术的不同,”DeWitte 说,“而是以不同的方式处理整个过程。”
 
那特立独行的连胜提出核退伍军人和现金来自硅谷的风险投资家,包括升压之间的眉毛Y组合,其中类似的Airbnb和Instacart公司得到了他们的开始。从那以后的八年里,Oklo 以更小的思维和更快的速度在竞争中脱颖而出。在这个领域还有其他竞争者:总部位于俄勒冈州的NuScale正在努力将设计与现有核电站类似的反应堆商业化,但采用 60 兆瓦的模块建造。由比尔盖茨于 2006 年创立的TerraPower计划开发一种新技术,将其热量用于能量存储,而不是旋转涡轮机,这使其成为越来越需要柔韧性的电网的更加灵活的选择。和X-energy是一家位于马里兰州的公司,已从美国能源部获得大量资金,正在开发 80 兆瓦的反应堆,这些反应堆也可以分为“四组”,使它们的规模更接近今天的工厂。然而,距离他们的第一次安装还需要数年时间和 10 亿美元。Oklo 吹嘘说,它的 NRC 应用程序比 NuScale 的应用程序短 20 倍,并且其提案的开发成本低 100 倍。(Oklo 提议的反应堆将产生 NuScale 反应堆的四十分之一。)NRC 于 2020 年 3 月接受了 Oklo 的审查申请,法规保证该过程将在三年内完成。Oklo 计划在 2023 年左右在爱达荷州国家实验室的一个地点通电,美国最古老的核研究基地之一,因此已经批准进行此类努力。然后是困难的部分:一次又一次地做,预订足够的订单来证明建造工厂以制造更多反应堆的合理性,降低成本,并希望政治家和活动家更多地担心温室气体的威胁而不是分裂原子的危害。
 
核工业资深人士仍然保持警惕。这一切他们都见过。西屋电气的 AP1000 反应堆于 2005 年首次获得美国核管理委员会的批准,被吹捧为奥巴马核复兴的旗舰技术。它承诺更安全、更简单,在紧急情况下使用重力而不是电力驱动的泵来冷却反应堆——理论上,这将减轻停电的危险,就像导致福岛灾难的停电一样。它的组件可以在一个集中的位置构建,然后以巨大的零件运输进行组装。
 
但这一切说起来容易做起来难。西屋电气及其承包商努力根据核能的超严格要求制造组件,最终,美国只有一个 AP1000 项目实际发生了:乔治亚州的 Vogtle 发电厂。其两座反应堆于 2012 年获得批准,当时预计耗资 140 亿美元,并于 2016 年和 2017 年完工,但成本已飙升至 250 亿美元。第一个将开放,最后,明年。
 
Oklo 及其竞争对手坚称这次情况有所不同,但他们尚未证明这一点。“因为我们还没有建造其中一个,我们可以保证建造它们不会成为问题,”前 NRC 主席 Gregory Jaczko 打趣道,他后来成为该技术最尖锐的批评者。“所以没有证据表明我们失败了。”
 
 
切尔诺贝利核电站2号反应堆控制室导览 乔治·辛斯勒 — Anzenberger/Redux
挑战
Hope Creek 核电站的冷却塔高出新泽西州人工岛 50 层,建在特拉华河的沼泽边缘。这里的三个反应堆——一个属于 Hope Creek,两个由共享该站点的塞勒姆发电站运营——产生惊人的 3,465 兆瓦电力,约占新泽西总供应量的 40%。1968 年开工建设,1986 年竣工。他们最近的人类邻居在特拉华州河对岸。否则,工厂周围是受保护的沼泽地,布满辐射传感器和偶尔的警卫室。在这里工作的 1,500 人中,约有 100 人是获得许可的反应堆操作员——这是 NRC 给予的特殊称号,在该国不到 4,000 人持有。
 
他们队伍中的最新成员是 Judy Rodriguez,她是新泽西州的伊丽莎白,土生土长的另一位麻省理工学院毕业生。“你允许我进去吗?” 她向控制室值班的操作员询问了塞勒姆二号反应堆,该反应堆于 1981 年上线,能够产生 1,200 兆瓦的电力。操作员打开一个可伸缩的安全带屏障,就像在机场一样,我们跨过地毯上的一条粗红线。一个马蹄形的灰色柜子里有数百个按钮、发光的指示灯和闪烁的灯,但墙壁中央的红色 LED 计数器显示了房间里最重要的数字:944 兆瓦,这是塞勒姆二号反应堆产生的功率九月的那个下午。在它旁边是一个圆形的方形指示灯,显示了堆芯内的铀燃料组件,在几百码外的混凝土圆顶收容大楼的深处。塞勒姆二号有 764 个这样的结构;每个大约 6 英寸平方和 15 英尺高。它们包含反应堆能量的来源,是地球上最受保护和控制的材料之一。为了确保在那里工作的人不会忘记这一事实,工厂周围的墙壁上都涂上了一句话:“反应堆的视线”。
 
作为关键基础设施的缩影,该站受到美国过去几十年危机的冲击。9/11 之后,这里的三个反应堆吸收了近 1 亿美元的安全升级。每个进入工厂的人都要通过金属和爆炸物探测器,出去时还要通过辐射探测器。在建筑物之间行走需要穿过高防弹围栏 (BRE) 下方的混凝土区域。除了州警察外,该工厂还有一个警卫队,其成员比新泽西州的任何一个都多,联邦 NRC 规定意味着他们不必遵守州对自动武器的限制。
 
该操作的规模和复杂性令人震惊,而且成本高昂。“你现在坐的地方每天的运营成本约为 150 万至 200 万美元,”新泽西州公共事业公司 PSEG 的总裁兼首席执行官拉尔夫·伊佐 (Ralph Izzo) 说,该公司拥有并经营这些工厂。“如果这些植物没有在市场上销售,那就是难以下咽的药丸。” 2019 年,新泽西州公用事业委员会同意每年提供 3 亿美元的补贴,以保持三座反应堆的运行。理由很简单:如果该州想要实现其碳减排目标,那么保持工厂在线是必不可少的,因为它们提供了该州 90% 的零碳能源。9 月,伊利诺伊州立法机关得出了与新泽西州相同的结论,批准在五年内拨款近 7 亿美元以维持现有的两座核电站的运行。两党基础设施​​法案包括 60 亿美元的额外支持(以及近 100 亿美元用于开发未来反应堆)。在更广泛的“重建更好”法案中预计会有更多。
 
这些补贴——在这两个州都被称为“碳减排信用”——承认核电厂无法以自己的方式在经济上与天然气或煤炭竞争。Jaczko 说:“人们一直对这项技术的看法与现实不符。” 补贴还表明气候变化如何改变了等式,但不足以保证核能的未来。立法者和能源公司正在接受核能作为清洁能源的新身份,理应获得与太阳能和风能相同的经济激励。现有电厂的运营商都希望生产无碳能源的巨大数额进行补偿,根据乔希·弗里德第三条道路,华盛顿特区,智库是冠军核电作为气候解决方案。“提供这种服务有其固有的好处,应该为此付出代价。” 目前,这为美国核运营商的未来前景带来了一些保证。“离开电网的兆瓦零碳电力与进入电网的新兆瓦零碳电力没有什么不同,”美国最大的 Exelon 政府和监管事务及公共政策高级副总裁 Kathleen Barrón 说。核反应堆的运营商。
 
在全球范围内,各国都在努力解决同样的问题。德国和日本在福岛灾难后关闭了许多工厂,并看到他们在减少碳排放方面的进展受到影响。德国没有足够快地建设新的可再生能源来满足其电力需求,并且已经用从俄罗斯进口的脏煤和天然气弥补了缺口。日本在国际压力下更积极地采取行动以实现其碳排放目标,于 10 月宣布将努力重启其反应堆。“当我们考虑如何在应对气候变化的同时确保稳定和负担得起的电力供应时,核电是必不可少的,”说日本经济产业大臣萩田浩一在 10 月的新闻发布会上。中国正在建造比其他任何国家都多的新核反应堆,计划到 2030 年代建造多达 150 个,估计成本接近 500 亿美元。早在此之前,在这十年内,中国将超过美国成为世界上最大的核能系统的运营商。
 
 
西沃核电站,法国西沃,2018 年 5 月 弗朗西斯卡·托德——对比/Redux
未来不会通过在核能或太阳能之间进行选择来决定。相反,这是在确保稳定电力供应的同时增加尽可能多的可再生能源的技术和经济复杂的平衡。目前,这很容易。“在达到我们担心电网稳定性的渗透水平之前,有足够的机会建立可再生能源,”PSEG 的 Izzo 说。新泽西州的目标是到2035 年增加 7,500 兆瓦的海上风电——或大约相当于六个新的塞勒姆大小的反应堆。实现这一目标的技术唾手可得——仅堪萨斯州就已经安装了那么多风能。
 
当可再生能源在电力供应中所占比例更大时——或者当风停止时,挑战就出现了。对“牢固”一代的需求变得更加重要。“你不能仅仅依靠可再生能源来运行我们的电网,”伊佐说。“人们需要一种跨季节的存储解决方案,而没有人想出一种经济的跨季节存储解决方案。”
 
现有核能的最佳选择——除了它已经存在的事实之外——是它的“容量系数”,这是一个行业术语,表示工厂多久能发挥其全部能源生产潜力。几十年来,核电站一直在努力应对停电和长时间的维护。如今,管理和技术的改进使它们更有可能在计划的加油(通常每 18 个月发生一次,大约需要一个月)之间连续运行 - 或“断路器到断路器”。在塞勒姆和希望溪,PSEG 在走廊上挂起横幅来庆祝每一个没有维护故障的新记录。这种改进遍及整个行业。“如果你回顾我们在 70 年代中期的表现,再看看我们今天的表现,这相当于建造了 30 座新反应堆,”核能研究所总裁兼首席执行官 Maria Korsnick 说,该行业的主要游说组织。这种改进的可靠性已成为今天的主要名片。
 
在接下来的 20 年里,核电站需要开发新的技巧。“我们词汇表中的一个新词是灵活性,”运营着 21 座反应堆的 Exelon 核战略与发展副总裁玛丽莲·克雷 (Marilyn Kray) 说。“不仅在现有工厂中,而且在新兴工厂的设计中都具有灵活性,使它们更加灵活和适应性强,以补充可再生能源。” 较小的工厂可以更轻松地适应电网,但它们也可以为新客户提供服务,例如直接为工厂、钢厂或海水淡化厂提供能源。
 
将这些小型工厂投入运营可能是值得的,但这并不容易。“你不能只是原谅它的核心,因为它是一项很难建造的技术,”说Jaczko,前 NRC 主席。“制造这些植物很困难,设计它们很困难,设计它们很困难,建造它们也很困难。在某个时候,这肯定是这项技术的明显结论。”
 
但同样明显的结论是我们不能没有它。“现实情况是,你必须真的眯着眼睛看看你如何在没有核的情况下达到净零,”Third Way's Freed 说。“有很多一厢情愿的想法,很多手指交叉。”

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