公共事業(yè)委員會和州能源辦公室將在支持未來十年先進(jìn)核能項(xiàng)目的發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。了解新型核能的應(yīng)用并確定將州目標(biāo)與潛在項(xiàng)目聯(lián)系起來的機(jī)會對于支持這些發(fā)展至關(guān)重要。當(dāng)各州考慮新型核反應(yīng)堆的潛力時，了解目前在美國和全球范圍內(nèi)運(yùn)行或開發(fā)的新型核能用例機(jī)會是有價值的。
1背景
自 1957 年第一座商用核電站開始發(fā)電以來，能源行業(yè)一直利用核能為電網(wǎng)發(fā)電。如今，美國有兩種類型的輕水反應(yīng)堆 (LWR) 在運(yùn)行：
沸水反應(yīng)堆 (BWR)，利用原子裂變產(chǎn)生的熱量將水煮沸，產(chǎn)生加壓蒸汽，從而產(chǎn)生能量。
壓水反應(yīng)堆 (PWR)，將水加熱到非常高的溫度并保持在高壓下(以防止水沸騰)。產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動渦輪機(jī)，渦輪機(jī)啟動發(fā)電機(jī)發(fā)電。
PWR 占商用反應(yīng)堆的 65% 以上，BWR 占運(yùn)行中反應(yīng)堆的其余三分之一。
隨著時間的推移，核技術(shù)不斷發(fā)展，從第一代(包括早期的原型反應(yīng)堆)發(fā)展到第二代(包括第一批商用發(fā)電廠)，再到第三代(在第二代的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，例如燃料技術(shù)、熱效率和安全系統(tǒng))。
新型核反應(yīng)堆一般認(rèn)為包括第三代+和第四代反應(yīng)堆技術(shù)。第三代+設(shè)計(jì)比第三代設(shè)計(jì)提供了顯著的被動安全性改進(jìn)，并包括一類反應(yīng)堆，稱為輕水小型模塊化反應(yīng)堆 (SMR)，與傳統(tǒng)反應(yīng)堆相比，這種反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量較少(此處定義為 300 MW 或更低)，可以規(guī)劃為模塊化單元，也可以共置在一起，并且應(yīng)急規(guī)劃區(qū)(EPZ) 的占地面積較小。
第四代技術(shù)繼續(xù)在被動安全特性方面取得重大進(jìn)展，同時還利用傳統(tǒng)燃料源的替代品(例如高濃度低濃縮鈾 (HALEU))和替代冷卻劑方法(例如氣體、金屬、鹽等)。
2案例
2.1 分布式電力應(yīng)用
下表側(cè)重于電網(wǎng)傳統(tǒng)集中式能源發(fā)電以外的電力應(yīng)用。這些用例受益于核電站與最終用途的接近性，所確定的案例代表了未來能源需求快速增長的領(lǐng)域或通過用無碳能源生產(chǎn)取代化石燃料來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)中難以脫碳的部門脫碳的機(jī)會。
2.1.1 資源開采
石油和天然氣的生產(chǎn)、運(yùn)輸和加工約占全球溫室氣體 (GHG) 總排放量的 15%。EOR 和采礦作業(yè)非常適合部署微反應(yīng)堆，因?yàn)檫@些作業(yè)地點(diǎn)偏遠(yuǎn)，并且可能出現(xiàn)極端氣候，這使得其他替代形式的零排放能源難以實(shí)施。懷俄明州正在積極探索部署 BWXT35 高溫氣相反應(yīng)堆 (HTGR)，以支持該州的開采業(yè)，州長能源配套基金計(jì)劃將提供 1000 萬美元的資金。
2.1.2 國防
美國國防部 (DoD) 已表示對在軍事設(shè)施和沖突地區(qū)使用固定式和移動式微反應(yīng)堆感興趣。固定式反應(yīng)堆的大小可以滿足軍事基地對高可靠性和彈性的需求。在永久性設(shè)施中，能源資源應(yīng)提供至少 14 天的燃料中斷，需要使用具有現(xiàn)場燃料儲存或可靠運(yùn)輸?shù)奶烊粴饣虿裼桶l(fā)電機(jī)、具有電池備份的可再生風(fēng)能和太陽能或先進(jìn)的核反應(yīng)堆。
核反應(yīng)堆對于具有關(guān)鍵任務(wù)活動的偏遠(yuǎn)地區(qū)可能特別有吸引力。部署先進(jìn)的反應(yīng)堆來滿足這些負(fù)載可以減少到達(dá)偏遠(yuǎn)地區(qū)的配電和輸電投資的需求。移動式反應(yīng)堆可以部署到作戰(zhàn)地點(diǎn)，為人道主義和災(zāi)難恢復(fù)工作提供服務(wù)。國防設(shè)施還可以與州監(jiān)管機(jī)構(gòu)和州能源辦公室合作，共同規(guī)劃和資助有利于軍隊(duì)、客戶和納稅人的項(xiàng)目。
2.2 電力和廢熱應(yīng)用
可以利用低工藝熱或電力來支持用例的低溫?zé)釕?yīng)用或用例為降低成本和排放提供了寶貴的機(jī)會，并在下表中進(jìn)行了概述。
2.2.1 區(qū)域供熱
區(qū)域供熱利用地下基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)將熱能從中央能源廠分配到多棟建筑，該能源廠生產(chǎn)的蒸汽或熱水通過管道網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)疆?dāng)?shù)亟ㄖ墓嵯到y(tǒng)，從而避免在單個建筑中使用鍋爐。
區(qū)域供熱是一種熱電聯(lián)產(chǎn)副產(chǎn)品——在這種模式下，核電站仍然生產(chǎn)電力作為其主要產(chǎn)品，區(qū)域供熱也利用廢熱生產(chǎn)。核能區(qū)域供熱系統(tǒng)有可能取代單個供熱鍋爐，從而消除每個單元的排放。以熱水或蒸汽形式存在的核能熱能可以以具有競爭力的成本經(jīng)濟(jì)地輸送到 100 英里以外的地方，同時將熱量損失降至最低。
2.2.2 海水淡化
利用核能進(jìn)行海水淡化并不是一個新概念——印度和哈薩克斯坦早在 20 世紀(jì) 70 年代就開始利用核能進(jìn)行海水淡化。海水淡化過程耗能大，需要大量泵來達(dá)到從海水中分離鹽和溶解固體所需的高壓。
海水淡化技術(shù)主要分為兩種：熱法(給水煮沸，蒸汽冷凝為蒸餾水)和膜法(給水通過半透膜泵送以過濾掉溶解固體)。目前正在開發(fā)的主要技術(shù)是反滲透;這是一種膜法海水淡化過程，其中電動泵對水加壓并迫使其通過半透膜。2016 年，全球 73% 的海水淡化項(xiàng)目采用膜法海水淡化技術(shù)，而其他 27% 的項(xiàng)目采用熱法海水淡化。
小型和中型核反應(yīng)堆可以支持海水淡化活動，同時還可以支持使用渦輪機(jī)低壓蒸汽和最終冷卻系統(tǒng)輸送的熱海水進(jìn)行電力聯(lián)產(chǎn)。海水淡化還提供了一個機(jī)會，可以在高能源需求時段向電網(wǎng)供電，然后在非高峰時段將剩余電力用于海水淡化廠，從而使核電站持續(xù)以滿功率運(yùn)行。雖然海水淡化項(xiàng)目已經(jīng)成功使用了第三代技術(shù)，但正在開發(fā)的新概念正在將先進(jìn)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)應(yīng)用于海水淡化活動，以提高工藝效率。
2.2.3 直接空氣捕捉(DAC)
聯(lián)合國氣候變化政府間小組已確定大規(guī)模部署二氧化碳 (CO2) 去除技術(shù)是實(shí)現(xiàn)凈零目標(biāo)的必要條件。DAC 是最成熟的碳去除技術(shù)之一，但該系統(tǒng)需要熱量來驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)以去除空氣中的二氧化碳，并需要電力為設(shè)備供電。核能可以協(xié)助 DAC 項(xiàng)目，使用多種技術(shù)直接從大氣中去除二氧化碳。
2023 年美國能源部報(bào)告《核能支持負(fù)排放技術(shù)的評估》發(fā)現(xiàn)核電站與 DAC 系統(tǒng)兼容，并確定了將核電站與 DAC 結(jié)合的以下潛在好處：大量脫碳和恒定輸出電力;免費(fèi)廢熱或廉價低溫?zé)?或高溫?zé)帷Ｔ搱?bào)告還確定，與非核能 DAC 系統(tǒng)的成本相比，使用核能進(jìn)行 DAC 可使基于固體吸附劑的 DAC 系統(tǒng)的平準(zhǔn)化成本降低約 13%，基于液體溶劑的 DAC 系統(tǒng)的平準(zhǔn)化成本降低約 7%。
2.3 高溫工藝熱應(yīng)用
高溫工藝熱是生產(chǎn)化學(xué)品、鋼鐵和氫氣等材料所必需的。高溫反應(yīng)堆是第四代反應(yīng)堆，它使用 TRISO 燃料，能夠達(dá)到更高的溫度(700°C 至 950°C 之間)并精確保持溫度。這可以減少操作員的誤差幅度，從而提高成本效率。高溫反應(yīng)堆(如高溫氣體反應(yīng)堆、熔鹽反應(yīng)堆和氣冷快堆)還能夠儲存熱能并提供靈活的負(fù)荷跟蹤能力，這使得這些反應(yīng)堆能夠支持間歇性可再生能源。
國會預(yù)算辦公室估計(jì)，17% 的溫室氣體是由制造業(yè)和其他工業(yè)過程的供熱產(chǎn)生的。因此，利用核能提供這種工藝熱可以成為減少二氧化碳排放的重要因素。在全球范圍內(nèi)，工業(yè)活動直接排放了 9.4 千兆噸 (Gt) 的二氧化碳，占 2021 年全球排放量的 25% 至 30%。開發(fā)無碳能源的機(jī)會，例如先進(jìn)的核反應(yīng)堆，對于減少工業(yè)排放至關(guān)重要。
利用先進(jìn)的核能發(fā)電來支持化學(xué)品、玻璃、水泥制造和金屬生產(chǎn)，為減少這個難以減排的經(jīng)濟(jì)部門的排放提供了一個有希望的機(jī)會。雖然目前的輕水反應(yīng)堆能夠產(chǎn)生高達(dá) 300?C 的熱量(足以用于區(qū)域供熱和海水淡化目的)，但先進(jìn)核能應(yīng)用的新概念依賴于第四代核技術(shù)承諾的高熱量輸出，為目前由化石燃料驅(qū)動的難以脫碳的行業(yè)提供熱量。具體來說，這些應(yīng)用需要高溫氣體反應(yīng)堆、氣冷快堆或熔鹽反應(yīng)堆技術(shù)來產(chǎn)生所需的工藝加熱，以減少這些應(yīng)用的溫室氣體足跡。
