原子能：纳米核能

奥丁微型反应堆全貌（所有照片均由纳米核能公司提供）

发电通常包含两个要素：燃料和能够将燃料转化为可用能量的系统。维护良好的液态或气态燃料发电机可以使用数十年，但它们始终需要持续可靠的燃料供应，而这在偏远地区安装和维护成本可能很高。

是否存在一种可以摆脱对持续燃料供应依赖的替代方案？太阳能发电具有这种潜力，但在光伏电池板效率提高之前，需要以英亩为单位的面积才能为大型电池发电机组充电。风能是另一种选择，但风力涡轮机笨重，而且风力本身也无法保证。

放眼其他领域，核能已为国家电网供电数十年。它无疑可以解决燃料补给问题，但将这项技术应用于微电网市场似乎不太现实。然而，微型反应堆的商业化进程比你想象的要快得多。纳米核能公司（简称Nano）正计划将原子能引入发电机组市场，同时致力于核燃料制造、燃料运输解决方案及相关咨询服务。

该公司目前正在研发两种微型反应堆；“宙斯”是一种固体堆芯电池反应堆，而“奥丁”是一种低压冷却剂反应堆。这两种反应堆的设计都使其能够装入标准集装箱内。

Nano公司首席执行官詹姆斯·沃克(James Walker)接受《国际电力发展》杂志采访时谈到了公司及其技术。“几年前我们成立公司时，已经有一些公司在开发小型模块化反应堆；但微型反应堆领域的发展远不及此。”

詹姆斯·沃克，纳米核能

他继续说道，微型反应堆非常适合采矿、石油和天然气钻探以及军事基地，也适用于灾害救援——这些领域目前柴油是唯一的替代能源，但供应成本却很高。“因为你只需要与远程柴油的成本竞争，而远程柴油的成本非常高，但这种电力系统却不需要在15到20年内补充燃料。这将使这些系统极具竞争力，”沃克解释道。

核裂变入门

回到最初的想法，很明显，微型反应堆可以完全消除燃料补充的需要。但是，它是如何产生能量的呢？

在反应堆内，铀235原子被挤压在一起，直至达到临界质量。此时，压力释放出的中子开始裂变铀原子，引发自持链式反应。正是这种反应释放了正能量效应。

链式反应的强度是通过控制棒来调节的。这些控制棒由能吸收中子的材料制成，例如硼、镉、银或铟；它们可以减少自由中子的数量，从而减缓反应过程。

沃克说：“这是一个非常基础的系统。插入反应堆燃料棒可以远程完成，因此无需具备反应堆管理技术专长的人员在现场。相关规定还要求至少配备两套冗余备份系统，这实际上意味着有两套独立的燃料棒。”

商业模式

这些微型反应器是由加州大学伯克利分校和剑桥大学的研究团队开发的。沃克说，每个团队都有一些关键目标：“它必须是一个可运输的系统，可以通过公路、铁路或海运运输。此外，它必须能够快速接入当地电网；它不能需要任何相关的安装工作才能投入运行。”

该设计的另一个特点是最大限度地减少监管。沃克表示，系统部署地点所需的人员非常少，可能仅限于安保人员和一名机械师。“你不需要核工程师或物理学家，”他补充道。每个装置都连接着一个远程监控系统，用于检查其运行状况。

用于卡车运输的奥丁微型反应器

沃克表示，微型反应堆投入使用后，他预计租赁将成为首选的使用模式。“人们几乎不会对购买、运营和退役微型反应堆感兴趣。一些大型公司可能会这样做，但大多数客户只想购买电力。”

“加拿大北部一些偏远社区完全依靠柴油发电机维持运转。那里有800人，每年燃料费用总计约1000万美元。考虑到微型反应器15到20年的使用寿命，这相当于每年1.5亿到2亿美元的柴油费用。而微型反应器的组装和运输成本仅为柴油费用的一小部分。在这种情况下，我们知道租赁模式是行之有效的。”

他还补充说，Nano公司前期会有资本损失，但一旦收回投资，微型反应器将带来纯利润。

燃料生产

两种微型反应堆均使用高丰度低浓缩铀（HALEU）燃料，这些燃料将由Nano公司生产，然后由其子公司Advance Fuel Transportation负责运输。该公司拥有美国三大核实验室联合研发的专利高容量HALEU燃料运输“篮筐”的独家许可权。

当人们意识到美国现有的供应链无法提供所需的燃料时，HALEU Energy Fuel Inc.应运而生。该公司计划在田纳西州橡树岭建设一座综合制造工厂，用于该材料的浓缩、分解和加工。

Nano公司与LIS Technologies公司合作，后者将负责燃料加工过程中的浓缩部分。该工艺采用激光系统将铀的各个同位素与不需要的同位素分离，并浓缩收集到的物质。

沃克表示，微型反应堆使用的燃料与大型反应堆使用的燃料相同，都是铀235（一种易裂变同位素，含量不到铀总量的1%）。主要区别在于，小型反应堆更适合使用高浓缩度的铀235。

这意味着，在吉瓦级核电站中，大型压水反应堆（PWR）使用的二氧化铀浓缩度低于5%，而高丰度低浓铀（HALEU）燃料的浓缩度上限约为20%。另一方面，武器级铀的纯度超过90%。

沃克解释说：“运输这种燃料的方式会稍作调整，但关键在于它并不比以前更不安全。我们必须非常明确一点，反应堆不会爆炸。”

盒子里

如前所述，Nano公司正在开发的微型反应器旨在装入标准集装箱内。当被问及集装箱内是否会配备标准反应器所有设备的微型化版本时，沃克表示，硬件结构要简单得多。

他说：“传统反应堆都使用水，水是一种很好的冷却剂。但是水的沸点相对较低，而铀产生的热量非常高，因此需要在系统中安装稳压器以防止沸腾溢出。”

艺术家描绘的位于军事基地的奥丁微型反应堆的示意图

在大型反应堆中，稳压器失效会导致堆芯熔化。而在微型反应堆中，即使所有冷却系统都失效，反应堆也能被动地散发热量，而不会导致堆芯熔化。最糟糕的情况是，微型反应堆将停止向微电网输送可用能源。

沃克：“如果一座微型反应堆安装在军事基地，并遭到导弹袭击，爆炸实际上会降低（反应堆中的材料）的放射性。这是因为，如果用于产生临界质量和链式反应的材料不再被挤压在一起，铀自然会开始冷却，放射性也会降低。”

监管障碍

美国拥有世界上持续时间最长的核能计划。沃克指出，几十年来，美国核工业已经形成了根深蒂固的官僚主义，这使得美国生产的核能比世界上任何其他地方都更昂贵。

官僚主义也延长了反应堆从原型到商业化生产所需的许可审批流程。更复杂的是，审批流程的成本由监管机构决定，而且可能高得令人望而却步。

沃克：“理论上，由于核能的能量密度，它应该是世界上最便宜的能源形式。但由于许可证审批流程耗时较长，加上资本成本非常高，因此融资成本也很高。以一座标准反应堆为例，其预算的70%都用于融资成本。”

沃克指出，即使Nano公司只获得一份授权，也足以支付模块化微反应器的生产成本。随着规模经济效应的显现，单位设备的资本成本将“大幅降低”，从而使这些系统在公开市场上更具竞争力。

此外，2024 年 9 月，美国政府通过了《先进核反应堆技术许可法案》，旨在降低先进核反应堆技术的许可成本，简化审批流程，减少费用，缩短审批时间。

沃克表示：“这项改革应该有助于简化许可流程。将标准的许可框架直接应用于微型反应器不仅是矫枉过正，而且很多目标根本不适用。因此，我们希望这项改革能够为不同类型的反应器建立一个明显不同的框架。”

目前，Nano公司正处于预许可申请阶段，申请内容包括反应堆类型、功率输出和预计发射日期。沃克表示，一旦获得批准，公司将开始建造微型反应堆的完整工作原型，同时提交正式的许可申请；《先进技术法案》规定该流程最长为25个月，沃克预计届时将获得最终批准。

微型反应堆退役

一旦获得批准，微型反应器将在美国推出，但沃克认为，更大的市场将在那些拥有重工业运营或人口居住在电力基础设施很少或没有的偏远地区的国家和地区。

“我们一直在与印度尼西亚、泰国和菲律宾的政府进行沟通。这些国家有数百万人口分散在数百个岛屿上，他们都依赖柴油发电机。这在后勤方面非常困难，成本很高，而且对环境非常不利。他们对微型反应堆非常感兴趣，可以在这些社区部署数百套系统。”

天下没有不散的筵席，微型反应堆最终也必须退役。沃克表示，最初的设想是在现场卸除燃料，然后将反应堆放置六个月，之后它就可以作为非核装置报废了。

但BWX Technologies公司启动的所谓“贝利项目”改变了这些计划。作为该项目的一部分，该公司已申请允许通过公路运输燃料反应堆和乏燃料反应堆，这将使这些机组能够在指定地点进行退役。

沃克说：“我们已经开发出转移新燃料和用过的燃料的技术，但是插入控制棒并将反应堆移动到我们可以控制卸料过程的地方会容易得多。”

这也为全移动式微型反应堆的实现打开了大门——Nano公司为此成立了先进燃料运输公司（Advanced Fuel Transportation Inc.）。实际上，微型反应堆可以部署五年，在转移到另一个地点之前，可以插入控制棒。沃克表示：“以采矿为例，需要电力的最终地点可能距离最初的采矿地点数英里之遥。移动微型反应堆比铺设输电电缆要容易得多。”

市场接受度

很显然，三里岛（宾夕法尼亚州哈里斯堡）和切尔诺贝利（乌克兰普里皮亚季）等事故已在全球对核能的认知中留下了不可磨灭的印记。在日本福岛核电站发生部分反应堆熔毁事故后，德国政府宣布将关闭所有现有的核电站；最后一批核电站已于2023年停止运行。

奥丁微反应器在长期试验场地

沃克指出，问题很大程度上在于现实与公众认知之间的差距。福岛核电站采用的是较老的技术，但即便如此，也需要地震和海啸的双重作用才能使其受损。即便如此，最严重的灾难还是通过海水控制住了。使用后的海水放射性甚至低于被冲洗的海水。

“即使是美国历史上最严重的事故——三里岛核事故，也没有人死亡，而且该核电站的第二个反应堆至今仍在运行，”他指出。“而在切尔诺贝利，灾难发生后离开该地区的人的预期寿命比留下来的人要低。”

“从整体上看，公众需要明白，要让任何类型的核反应堆发生熔毁，实际上都非常困难。”

本文完整版将于2025年第一季度《国际电力进步》杂志刊登。