1.一個(gè)潛在突破

幾十年來(lái)，核工程師一直在探索反應(yīng)堆中放射性燃料(最大的零碳電源)新的配方、形式和尺寸。

現(xiàn)在反應(yīng)堆中的大部分燃料是濃縮鈾。而在未來(lái)，可能會(huì)使用另一種非常有前途的元素——釷。

美國(guó)能源部(DOE)愛(ài)達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(INL)和德克薩斯A&M核工程科學(xué)中心與清潔核芯釷能源(CCTE)展開(kāi)合作，制造出了一種新型核燃料，稱為“用于豐富生活的先進(jìn)核能源”(Advanced Nuclear Energy for Enriched Life，簡(jiǎn)稱ANEEL)。

在釷和鈾的各種比較中，特別是“高含量低濃縮鈾”(HALEU)，ANEEL燃料可以解決困擾核能的幾個(gè)問(wèn)題：成本、擴(kuò)散和廢料。

另外，這種在美國(guó)生產(chǎn)的燃料，可以出口到世界其他的新興核能市場(chǎng)。

在過(guò)去的幾年里，氣候科學(xué)家們?cè)絹?lái)越一致地認(rèn)為，核能對(duì)于減輕全球變暖最嚴(yán)重的影響至關(guān)重要。

2. CANDU和PHWR

美國(guó)各州正在從可再生能源轉(zhuǎn)向技術(shù)中立的清潔能源標(biāo)準(zhǔn)，其中就包括核能。

在發(fā)展中國(guó)家，這種需求顯得更加緊迫。因?yàn)榇蠖鄶?shù)發(fā)展中國(guó)家沒(méi)有安裝天然氣、風(fēng)能或太陽(yáng)能的基礎(chǔ)設(shè)施。此外，許多地方即使考慮水電站，也沒(méi)有足夠的地形和河流流量進(jìn)行發(fā)電。所以只能考慮煤電或是核電。

如果真的關(guān)心環(huán)境的話，那最好是核能。

因此，開(kāi)發(fā)新核能技術(shù)，特別是先進(jìn)核燃料，對(duì)這一部署至關(guān)重要。

ANEEL核燃料可以用于傳統(tǒng)的沸水反應(yīng)堆和壓水反應(yīng)堆，但當(dāng)應(yīng)用在重水堆，如坎杜(CANDU)和加壓重水反應(yīng)堆(PHWR)時(shí)，優(yōu)勢(shì)就更加明顯。更重要的是，它可以快速開(kāi)發(fā)和部署。

CCTE計(jì)劃在2024年將這項(xiàng)技術(shù)推向市場(chǎng)。

“今天，世界上的新興國(guó)家及其公民，一直渴望獲得推動(dòng)國(guó)家進(jìn)步和繁榮的電力，他們需要一個(gè)充足且不間斷的電源，同時(shí)最好是清潔的。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就必須解決多個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題——成本、效率和可持續(xù)性。隨著時(shí)間流逝，面對(duì)日益加劇的氣候危機(jī)，實(shí)現(xiàn)這一愿景的緊迫性變得更加重要。” Mehul Shah說(shuō)，他是CCTE的創(chuàng)始人和CEO。

CANDU堆是20世紀(jì)50年代在加拿大開(kāi)發(fā)，最近在印度被稱為PHWR(加壓重水反應(yīng)堆)。該反應(yīng)堆是重水冷卻和慢化壓水反應(yīng)堆。

PHWR/CANDU是成熟的中小型反應(yīng)堆。加拿大的20個(gè)堆全部采用CANDU設(shè)計(jì)。

其他擁有CANDU反應(yīng)堆的國(guó)家包括阿根廷、中國(guó)、印度、韓國(guó)、巴基斯坦和羅馬尼亞。印度有18個(gè)基于CANDU設(shè)計(jì)的PHWR。

全球有近50個(gè)CANDU和PHWR反應(yīng)堆，約占全球總反應(yīng)堆的10%。

另一方面，有30個(gè)國(guó)家正在考慮、計(jì)劃或開(kāi)始實(shí)施核計(jì)劃，另外還有20個(gè)國(guó)家表示有興趣在未來(lái)開(kāi)展核計(jì)劃，其中大多數(shù)在發(fā)展中國(guó)家。

對(duì)于發(fā)展中國(guó)家來(lái)說(shuō)，當(dāng)配備合適的燃料時(shí)，CANDU/PHWR是一個(gè)最佳的反應(yīng)堆選擇。

CANDU/PHWR通常使用天然鈾(0.7%U-235)氧化物作為燃料，因此它們需要一種更有效的慢化劑(減慢或減緩中子速度，使其以正確的速度撞擊下一個(gè)核或裂變的材料)。在這種情況下，這些反應(yīng)堆使用重水(D2O)(氘是原子核中有一個(gè)中子的氫)。

此外，釷具有較高的熔點(diǎn)和較低的工作溫度，這使得它本質(zhì)上比純鈾更安全，更能抵抗堆芯熔化。

與目前在運(yùn)行的PHWR/CANDU中使用的天然鈾燃料相比，ANEEL燃料的燃耗率非常高，約為55000 MWd/T(每噸燃料兆瓦/天)。這在一些方面很重要。

相同的燃料，在反應(yīng)堆中燃燒的時(shí)間越長(zhǎng)，消耗的能量也就越高。此外，更多的中子毒物在燃料的過(guò)度使用中滋生，包括钚-240，241，242，使乏燃料難以制造成武器。

此外，ANEEL更高的燃料燃耗將減少80%以上的廢物，并最終產(chǎn)生更少的钚(Pu)，因?yàn)槠渌幸呀?jīng)燃燒釋放能量。同時(shí)，產(chǎn)生的乏燃料具有抗擴(kuò)散性。乏燃料更少，意味著更少的燃料，更低的成本，更低的燃料處理成本。

此外，PHWR/CANDU反應(yīng)堆不必停堆換料，可以滿功率換料。

印度Kaiga 1號(hào)機(jī)組的PHWR和加拿大的Darlington 1號(hào)機(jī)組分別保持連續(xù)運(yùn)行962天和963天的世界紀(jì)錄。

在運(yùn)的CANDU/PHWR，如果使用天然鈾，每個(gè)燃料束重約15 kg。在最初150天的運(yùn)行之后，直至最終電站退役，平均每天需要更換8個(gè)這樣的管束。

如果使用ANEEL燃料，每個(gè)燃料包重約10.65kg。在最初1400天的運(yùn)行之后，直至電站退役，平均每天只需要更換一個(gè)這樣的管束，從而大大減少了廢物的產(chǎn)生。

3.釷的有趣之處

像大多數(shù)偶數(shù)重同位素一樣，釷-232不易裂變。但和不可裂變的鈾-238通過(guò)中子吸附形成钚-239，然后裂變產(chǎn)生能量一樣，釷-232也吸收一個(gè)中子，然后迅速雙β衰變?yōu)殁?233，裂變產(chǎn)生能量。

德克薩斯A&M大學(xué)核工程教授兼核工程與科學(xué)中心主任肖恩·麥克德維特(Sean McDeavitt)博士指出：“我已經(jīng)研究核燃料應(yīng)用超過(guò)25年。ANEEL燃料概念可以與現(xiàn)有的CANDU/PHWR反應(yīng)堆技術(shù)相結(jié)合，利用釷的優(yōu)越性能和豐度，產(chǎn)生清潔電力，減少對(duì)環(huán)境的影響。”

德克薩斯州的核科學(xué)和工程中心制造出了一批ANEEL，后運(yùn)到INL，在INL的先進(jìn)試驗(yàn)堆加速試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)燃料芯塊(高達(dá)70000 MWd/T)進(jìn)行高燃耗輻照試驗(yàn)。

隨后進(jìn)行輻照后的檢查和燃料鑒定顯示，所有都符合DOE和NRC的嚴(yán)格指導(dǎo)和質(zhì)量保證要求。

“我們支持發(fā)展先進(jìn)核燃料。作為國(guó)家核能研究與開(kāi)發(fā)中心，INL以其獨(dú)特的設(shè)施、能力和專業(yè)知識(shí)支持行業(yè)需求。” Jess Gehin說(shuō)道，他是INL的首席科學(xué)家。

地球上釷的含量是鈾的兩倍多，而且可以像鈾一樣從海水中提取，所以使得核能像風(fēng)能一樣可再生。

印度本身的釷含量比鈾還多，特別是在獨(dú)居石中，這也是他們幾十年來(lái)一直在反應(yīng)堆中尋求應(yīng)用釷的原因。

4. 地緣政治影響

ANEEL燃料的優(yōu)點(diǎn)符合美國(guó)能源部最近發(fā)布的《恢復(fù)美國(guó)核能競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)》中的幾個(gè)要素，該報(bào)告稱，核能與國(guó)家安全有著內(nèi)在的聯(lián)系。

每當(dāng)美國(guó)參與另一個(gè)國(guó)家的核計(jì)劃時(shí)，該國(guó)就簽署各種有關(guān)安全、武器不擴(kuò)散和核材料(包括核燃料)的協(xié)議。其他像承諾國(guó)家放棄國(guó)內(nèi)鈾濃縮和乏燃料后處理的協(xié)議。簽署的國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)附加議定書(shū)中規(guī)定了更嚴(yán)格的檢查制度。

迄今為止，美國(guó)已經(jīng)與48個(gè)國(guó)家簽訂了大約23個(gè)類(lèi)似協(xié)議，其中包括烏克蘭、摩洛哥、埃及和中國(guó)臺(tái)灣。

但美國(guó)的核計(jì)劃在過(guò)去的幾十年里已經(jīng)萎縮。與此同時(shí)，其他國(guó)家的核能發(fā)展在加強(qiáng)，特別是俄羅斯和中國(guó)，這兩個(gè)國(guó)家都有核能?chē)?guó)有企業(yè)，對(duì)安全和環(huán)境問(wèn)題不太關(guān)心，還有韓國(guó)這樣的國(guó)家，它們的工業(yè)得到政府的支持，這在美國(guó)根本不可能。

因此，擁有一種可以在其他國(guó)家的反應(yīng)堆中使用的美國(guó)制造的新燃料，將使美國(guó)重新在核供應(yīng)鏈中發(fā)揮作用。

隨著美國(guó)目前的雙邊共識(shí)，核能必須作為清潔能源的一部分進(jìn)行發(fā)展。

CCTE使用ANEEL燃料的PHWR/CANDU，可以通過(guò)緩解人們對(duì)放射性擴(kuò)散和廢物管理的擔(dān)憂，更快地將核能部署到更多新興國(guó)家。