美高級能源研究計劃署大力助推先進反應(yīng)堆技術(shù)商業(yè)化

美國將先進核反應(yīng)堆技術(shù)視為實現(xiàn)碳減排目標和保障未來能源供應(yīng)安全的重要選項，數(shù)十家企業(yè)正在開展先進反應(yīng)堆技術(shù)研究。美國能源部高級能源研究計劃署（ARPA-E）積極助推先進核技術(shù)發(fā)展，通過三項研究計劃即“旨在推動核能重振的模擬增強創(chuàng)新”計劃（MEITNER）、“智能核資產(chǎn)管理發(fā)電”計劃（GEMINA）和“優(yōu)化核廢物和先進反應(yīng)堆處置系統(tǒng)”計劃（ONWARDS）幫助技術(shù)開發(fā)商應(yīng)對先進反應(yīng)堆在造價、運維費用和廢物管理等方面的挑戰(zhàn)。

高級能源研究計劃署成立于2007 年，是美國能源部仿效國防部國防高級研究計劃局（DARPA）的成功經(jīng)驗設(shè)立的，專門負責推進顛覆性創(chuàng)新、具有變革意義和巨大潛在應(yīng)用價值的高風險能源技術(shù)研究。

1 MEITNER計劃

造價高昂是先進反應(yīng)堆商業(yè)化應(yīng)用面臨的一項嚴峻挑戰(zhàn)。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，高級能源研究計劃署于2018年啟動MEITNER計劃，目標是幫助研發(fā)有助于降低先進反應(yīng)堆造價和運維費用的新技術(shù)。迄今共有10個項目獲得總計2400萬美元資助，獲得直接支持的先進反應(yīng)堆包括西屋公司（Westinghouse）熱管堆、特里斯特爾能源公司（Terrestrial Energy）一體化熔鹽堆（IMSR）、超安全核公司（USNC）模塊化微堆、HolosGen公司移動式模塊堆、Transatomic 電力公司（Transatomic Power）熔鹽堆。

表1 高級能源研究計劃署支持先進反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)展的三項計劃

西屋公司“用于固有安全熱管堆的自我調(diào)節(jié)‘固體堆芯’”項目獲得500萬美元資助。該公司正在研究一種能夠自我調(diào)節(jié)的“固體堆芯”。這種堆芯使用固體材料制造，不需要使用大量流體或移動部件，能夠固有地調(diào)節(jié)堆芯反應(yīng)速率，緊急情況下無需采用額外的控制系統(tǒng)、外部電力供應(yīng)或操縱員干預(yù)也可實現(xiàn)安全停堆。

北卡羅來納州立大學“先進反應(yīng)堆近自主管理與控制系統(tǒng)研發(fā)”項目獲得339 萬美元資助。該項目將為先進反應(yīng)堆研發(fā)一套能夠?qū)崿F(xiàn)高度自主管理和控制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠為操縱員提供建議，并通過機器學習和持續(xù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，預(yù)測反應(yīng)堆未來工況。

特里斯特爾能源公司“一體化熔鹽堆磁懸浮屏蔽轉(zhuǎn)子泵”項目獲得315萬美元。特里斯特爾正在推進換料周期為7年的一體化熔鹽堆IMSR商業(yè)化，并正在為這種反應(yīng)堆研發(fā)配套的新型磁懸浮循環(huán)泵。與當前最先進的懸臂式泵相比，新型磁懸浮循環(huán)泵是獨立安裝的，不需要機械密封，且足夠堅固，能夠在7 年的換料周期中持續(xù)運行。

黃石能源公司（Yellowstone Energy）“先進反應(yīng)堆反應(yīng)性控制裝置”項目獲得約260萬美元資助。該公司正在研發(fā)一種新型反應(yīng)性控制技術(shù)，能夠提高熔鹽堆及其他反應(yīng)堆的非能動安全性并降低發(fā)電成本。使用這一技術(shù)，即使在沒有外部控制的情況下，嵌入控制棒的材料也會隨著溫度的升高而蒸發(fā)，產(chǎn)生能夠捕集中子的蒸氣，從而減緩鏈式反應(yīng)速度。

超安全核公司“使模塊化微堆無需設(shè)置應(yīng)急計劃區(qū)的技術(shù)”項目獲得235萬美元資助。該公司正在研發(fā)氣冷堆相關(guān)技術(shù)，目標是提高氣冷堆功率密度，進而縮小反應(yīng)堆體積。具體而言，該公司正在開展高性能慢化劑研究，以便能夠在縮小反應(yīng)堆體積的同時加強反應(yīng)堆安全性。

HolosGen 公司“不需要電廠配套設(shè)施的移動式模塊堆”項目獲得228萬美元資助。該公司正在研發(fā)一種具備負荷跟蹤運行能力的移動式模塊化氣冷堆。這種反應(yīng)堆將與閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電機直接相連。該公司希望能夠簡化電廠設(shè)計，降低造價并縮短建設(shè)和調(diào)試時間。反應(yīng)堆可以裝在標準運輸容器中，便于運輸。

通用原子能公司（General Atomics）“使用預(yù)制纖維強化混凝土降低核電廠造價”項目獲得153 萬美元資助。該公司計劃為核電廠混凝土部件研發(fā)一種新的制造方法，即先在工廠使用具有超高強度的混凝土制造預(yù)制模塊，然后運至廠區(qū)進行安裝。這種方法有助于實現(xiàn)標準化制造，提高制造效率，縮短建設(shè)周期和降低造價。

通用原子能公司“使用帶變速發(fā)電機的高效布雷頓循環(huán)提高先進核電廠負荷跟蹤能力”項目獲得146 萬美元資助。該公司正在為配備有氦氣驅(qū)動布雷頓循環(huán)發(fā)動機（一種以氣體為工質(zhì)的熱力循環(huán)發(fā)動機）的核電系統(tǒng)建立動態(tài)模型。這種核電系統(tǒng)將使用變速氣冷發(fā)電機，使操縱員能夠控制向電網(wǎng)輸送的電量，因此該系統(tǒng)能夠根據(jù)電網(wǎng)需求快速調(diào)整運行功率，使核電廠能夠更好地與太陽能和風能等間歇性可再生能源電廠共享電網(wǎng)。

紐約州立大學布法羅分校“使用基于設(shè)備的抗震技術(shù)降低先進反應(yīng)堆隔夜造價”獲得144萬美元資助。該分校準備將抗震系統(tǒng)整合到先進反應(yīng)堆廠房及相關(guān)輔助性基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計中，以降低核電廠的復(fù)雜性和造價。所有核電廠都需要考慮抗震，并需要為此定制大型部件。這一項目如果獲得成功，將能夠簡化核電廠設(shè)計，并有助于實現(xiàn)設(shè)備標準化。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校“使Transatomic 電力公司熔鹽堆具備負荷跟蹤能力”項目獲得77 萬美元資助。該分校試圖研發(fā)一種熔鹽堆燃料處理系統(tǒng)，目標是提高熔鹽堆負荷跟蹤能力。

2 GEMINA計劃

美國核電廠運維費用目前約占總發(fā)電成本的80%。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，高級能源研究計劃署于2019 年啟動GEMINAR 計劃，目標是運用數(shù)字孿生技術(shù)推進相關(guān)技術(shù)研發(fā)，將下一代核電廠的固定運維費用降至約每千瓦時0.2美分。目前有9個項目獲得總計2700萬美元資助，獲得支持的反應(yīng)堆設(shè)計包括X 能源公司（X-energy）小型高溫氣冷堆Xe-100、通用電氣-日立核能公司（GEH）小型沸水堆BWRX-300、卡伊洛斯電力公司（Kairos Power）氟化鹽冷卻高溫堆、莫爾泰克斯能源公司（Moltex Energy）“穩(wěn)定熔鹽堆—廢物焚燒器”（SSR-W）和法馬通公司（Framatome）高溫氣冷堆。

X 能源公司“在Xe-100 電廠數(shù)字孿生體中應(yīng)用先進運維技術(shù)以降低固定運維費用”項目獲得600萬美元，目標是將小型高溫氣冷堆Xe-100固定運維費用降低每千瓦時0.2美分。該項目將使用人因工程、概率風險評價、危險性分析以及安全和維護評價等方法來確定需要優(yōu)化的領(lǐng)域，并開發(fā)創(chuàng)新方法，以便利用先進技術(shù)（包括自動化技術(shù)、機器人技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)等）來優(yōu)化人員配備，確保最佳的電廠運營。

通用電氣研究公司（GE Research）“先進反應(yīng)堆人工智能預(yù)測性維護數(shù)字孿生”項目獲得541萬美元資助，目標是以通用電氣-日立核能公司的小型沸水堆BWRX-300 為參考設(shè)計，將目前“基于時間”的維護框架轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎谠O(shè)備條件”的預(yù)測性維護框架，以降低運維費用。通用電氣研究公司將開發(fā)運營、設(shè)備狀況和決策數(shù)字孿生體，實現(xiàn)對反應(yīng)堆系統(tǒng)的持續(xù)監(jiān)測、預(yù)警、診斷和預(yù)測。

密歇根大學“推進先進反應(yīng)堆創(chuàng)新的安全自動化”項目獲得520萬美元資助。該大學將建立一個由四個模塊組成的系統(tǒng)，目標是加深對先進反應(yīng)堆總體狀態(tài)的了解：一是可擴展的數(shù)字孿生模塊；二是維護前瞻性評價器，用于監(jiān)測和評價先進反應(yīng)堆的設(shè)備狀態(tài)和維護需求；三是智能操作控制器，用于正常和事故工況下的反應(yīng)堆自主控制；四是運維監(jiān)視器，用于對運維工作進行監(jiān)視。這一系統(tǒng)將首先在密歇根大學的熔鹽試驗回路中使用，然后用于卡伊洛斯電力公司氟化鹽冷卻高溫堆設(shè)計。

莫爾泰克斯能源公司“自動化穩(wěn)定熔鹽堆電廠：智能、高效和數(shù)字化”項目獲得350萬美元資助。該公司將為SSR-W建立數(shù)字孿生體。將建設(shè)一條非核的測試回路，支持數(shù)字孿生體的研發(fā)。該公司的目標是將SSR-W的平準化運維費用從每千瓦時1.1美分降至每千瓦時0.175美分。

阿貢國家實驗室（ANL）“先進反應(yīng)堆傳感器和部件的維護”項目獲得220萬美元資助。該實驗室準備開展先進傳感器和自動化設(shè)備研究，目標是將卡伊洛斯電力公司氟化鹽冷卻高溫堆運維費用降至每千瓦時0.2美分。該項目將開展三項研究：一是研究先進的分布式傳感和數(shù)據(jù)收集技術(shù)，以便能及時獲得重要部件和系統(tǒng)的參數(shù)；二是增加傳感器的多樣性，并研發(fā)多功能傳感器，以便能同時測量多個工藝參數(shù)；三是研發(fā)基于機器學習的信號處理算法，實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的自動分析。

麻省理工學院“BWRX-300臨界系統(tǒng)高保真數(shù)字孿生”項目獲得179萬美元。該項目將研發(fā)BWRX-300臨界系統(tǒng)的高保真數(shù)字孿生體，研究和示范預(yù)測性維護方法和基于模型的故障檢測技術(shù)。這一數(shù)字孿生體將推動機械和熱疲勞故障模式研究，其成果不僅可用于BWRX-300，還可用于任何使用運動流體的先進反應(yīng)堆。

美國電力研究協(xié)會（EPRI）“從建設(shè)到更換：降低先進反應(yīng)堆運維費用的新范式”項目獲得100 萬美元資助。傳統(tǒng)核反應(yīng)堆一些重型部件的設(shè)計壽命長達數(shù)十年。在開展這些部件的維護工作時，會面臨復(fù)雜的技術(shù)問題，且支出巨大。電力研究協(xié)會將開展概念驗證研究，目標是將傳統(tǒng)的“維護和修理”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤娲头隆蹦Ｊ?，即轉(zhuǎn)為使用壽命較短且更可預(yù)測的核電部件，以便在必要時進行更換。這將以改變游戲規(guī)則的方式大幅降低核電廠運維費用。這一模式與商業(yè)航空業(yè)目前采用的方法類似：進行多次設(shè)備“替代和翻新”（包括更換發(fā)動機），噴氣式飛機能夠在數(shù)十年內(nèi)保持其飛行的經(jīng)濟性。

麻省理工學院“生成關(guān)鍵輻照數(shù)據(jù)以建立熔鹽堆數(shù)字孿生體”項目獲得90 萬美元。在這一項目中，麻省理工學院將利用研究堆對含有燃料的熔鹽進行輻照，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，從而了解熔鹽堆中放射性核素的產(chǎn)生和輸運情況，進而為建立熔鹽堆數(shù)字孿生體創(chuàng)造條件。

法馬通公司“使用Metroscope軟件包并基于數(shù)字孿生體對高溫氣冷堆腔室冷卻系統(tǒng)進行性能和可靠性診斷”項目獲得81 萬美元。法馬通將建立兩個數(shù)字孿生體，分別模擬內(nèi)部發(fā)生了熱工水力故障的非能動冷卻系統(tǒng)以及擁有不同操作模式和控制狀態(tài)的典型冷卻回路。這兩個孿生體將與法馬通蒸汽循環(huán)高溫氣冷堆的反應(yīng)堆腔室冷卻系統(tǒng)匹配，并在Metroscope軟件包的幫助下，開展相關(guān)的性能和可靠性評價工作。Metroscope 軟件包用于將數(shù)字孿生體與相關(guān)的故障數(shù)據(jù)庫聯(lián)系在一起，并使用一種算法對相關(guān)情況進行監(jiān)控，以便能盡早發(fā)現(xiàn)問題。

3 ONWARDS計劃

ONWARDS 計劃于2021 年啟動，致力于將先進反應(yīng)堆廢物產(chǎn)生量降至現(xiàn)有反應(yīng)堆水平的1/10以內(nèi)，或?qū)⑿枰谧罱K處置庫中處置的廢物數(shù)量降至目前水平的1/10 以內(nèi)。該計劃主要資助三個領(lǐng)域的研究：一是改進燃料循環(huán)工藝流程，以最大限度地減少廢物產(chǎn)生量，增強固有防擴散性，提高資源利用率，并支持先進反應(yīng)堆技術(shù)商業(yè)化；二是推進傳感器和數(shù)據(jù)融合技術(shù)發(fā)展，以便能夠及時且準確地在后處理廠開展核材料衡算工作；三是針對所有類型先進反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢物開展廢物體研究，重點關(guān)注適用于多種先進反應(yīng)堆廢物、能夠在長期處置過程中保持穩(wěn)定、且不會向環(huán)境釋放放射性核素的廢物體。迄今為止，ONWARDS 計劃已為11 個項目提供總計3600萬美元資助。

泰拉能源公司（Terra Power）“利用氯化物揮發(fā)性促進廢物減容和/或金屬燃料、氧化物燃料和熔鹽燃料得到再次使用”項目獲得855萬美元。該公司正在開發(fā)一種方法，準備利用氯化鹽在高溫下的揮發(fā)性處理乏燃料，以提高鈾回收率，進而減少廢物量。

通用電氣全球研究公司（GE Global Research）“用于材料豐度分析的共振吸附密度測量技術(shù)”（RADMASS）項目獲得450 萬美元。該公司正在研究一種名為RADMASS 的先進測量技術(shù)。這是一種無損檢測技術(shù)，可用于在后處理廠的工藝流程中準確測量和表征易裂變材料數(shù)量（不確定度≤1%）。

奧克洛公司（Oklo）“使電解精煉設(shè)施近期商業(yè)化以實現(xiàn)金屬燃料閉式循環(huán)”項目獲得400萬美元。該公司準備在未來幾年實現(xiàn)核燃料循環(huán)設(shè)施的商業(yè)化應(yīng)用，以便能為其正在研發(fā)的微型快堆Aurora提供金屬燃料。

羅格斯大學（Rutgers University）“用于處置先進反應(yīng)堆廢物流的金屬陶瓷廢物體”項目獲得400萬美元。該大學正在研究一種簡單、可擴展的方法，能夠把先進反應(yīng)堆廢物流（金屬、鹽、碳）轉(zhuǎn)化為形式單一、高密度、耐用的金屬陶瓷廢物體（一種耐熱的金屬和陶瓷復(fù)合材料）。

深層隔離公司（Deep Isolation）“考慮設(shè)計安全的適用于鉆孔式處置庫和礦井式處置庫的先進廢物體通用驗收準則和容器”項目獲得360萬美元。該公司將建立通用性能準則并研發(fā)新型通用桶式系統(tǒng)，目標是最大限度地減少乏燃料和廢物長期管理成本。

石溪大學（Stony Brook University）“助力先進反應(yīng)堆燃料循環(huán)的專設(shè)基質(zhì)三元結(jié)構(gòu)各向同性（TRISO）燃料”項目獲得340 萬美元。該項目將開展使用MgO作為基質(zhì)的新型TRISO微封裝燃料研究，目標是提高燃料利用率和減少鈾裝料，進而顯著減少先進反應(yīng)堆廢物產(chǎn)生量。

Citrine Informatics公司“用于含鹽廢物高效脫鹵和固化的新型磷酸鹽廢物體”項目獲得310萬美元。該項目將利用人工智能和物理模擬方法開展新型磷酸鹽廢物體研究，目標是能夠更高效地進行含鹽廢物的脫鹵和固化，從而降低需要最終處置的熔鹽堆廢物數(shù)量。

歐安諾聯(lián)邦服務(wù)公司（Orano Federal Services）“整備和循環(huán)設(shè)施尾氣處理工藝”項目獲得225萬美元。該項目將開發(fā)適用于多種先進反應(yīng)堆乏燃料處理設(shè)施的尾氣處理系統(tǒng)。

愛達荷州國家實驗室（INL）“用于創(chuàng)新燃料循環(huán)方案的流動熔融區(qū)精煉工藝開發(fā)”項目獲得200 萬美元。該項目將開發(fā)一種熱處理工藝，利用流動熔融區(qū)從金屬乏燃料中快速提取錒系元素。

楊百翰大學（Brigham Young University）“用于先進反應(yīng)堆乏燃料后處理的兩步氯化物揮發(fā)工藝”項目獲得90 萬美元。該項目將利用模擬的乏燃料對鈾/超鈾核素氯化物的揮發(fā)性進行量化，以推進兩步氯化物揮發(fā)工藝研究。這一工藝可用于先進反應(yīng)堆乏燃料后處理，幫助降低廢物產(chǎn)生量。

倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute）“將金屬鹵化物鈣鈦礦作為創(chuàng)新且高性價比的氟化鹽廢物體”項目獲得60 萬美元。金屬鹵化物鈣鈦礦可用于固化先進反應(yīng)堆氟化鹽廢物，因此該項目將開展將這一物質(zhì)作為高性價比氟化鹽廢物體的研究，并探索以成本在低溫下使用化學工藝大量生產(chǎn)金屬鹵化物鈣鈦礦的可行性。

4 小結(jié)

作為能源部下屬專門負責推進創(chuàng)新性、顛覆性技術(shù)研發(fā)的機構(gòu)，高級能源研究計劃署近年來一直通過三項研究計劃幫助技術(shù)開發(fā)商降低先進反應(yīng)堆的造價和運維費用，以及減少廢物產(chǎn)生量或需要最終處置的廢物數(shù)量，獲得資助的先進反應(yīng)堆包括熔鹽堆、高溫氣冷堆、模塊化小型沸水堆等。其中部分反應(yīng)堆的商業(yè)化已取得重要進展。例如X 能源公司已宣布與西北能源公司（Energy Northwest）和格蘭特縣公用事業(yè)區(qū)（GCPUD）簽署協(xié)議，將合作在西北能源位于華盛頓州哥倫比亞縣的一個現(xiàn)有廠址建設(shè)美國首座Xe-100 小堆電廠。這座核電廠將由4 座Xe-100小堆組成，擬在2028年底前投運。