美国启动先进堆示范，“再”资助英国Moltex

1.美国能源部资助先进堆系统运行技术(2020-05-13)[1]

美国能源部今天宣布，作为先进能源研究计划署(ARPA-E)智能核资产管理发电(GEMINA)规划的一部分，将为9个项目提供2700万美元资助。这些项目致力开发数字孳生(digital twin)技术，使下一代核电站的运行和维修(O&M)成本降低90%，更加经济、灵活和高效。

能源部副部长马克w.梅内塞斯(Mark W. Menezes)说，“作为美国最大的清洁、零排放能源的供应者，核能是我国电力供应的重要组成部分”。“投资于这些项目和研发，将使我们的(反应)堆群更高效、成本效益更好。这对确保这种清洁、可靠的能源继续为我们国家提供未来数年的动力至关重要”。

ARPA-E主任莱恩·杰纳托夫斯基(Lane Genatowski)说，“先进堆有潜力为数百万美国家庭提供可靠、低成本的清洁能源”。“这些GEMINA团队正在为未来的先进堆开发各种工具，通过设计自动化的、更高效的工艺，改进运行，降低维护成本”。

GEMINA团队将为先进堆开发数字孳生和相关的技术，为下一代核电站设计运行与维修(O&M)战略框架。这些团队正在设计各种工具，在反应堆系统中引入更大的灵活性，增加运行自动化，加速设计迭代，目标是降低先进堆核电机组的成本。

这些项目将使用不同的技术降低O&M 成本。这些技术，如人工智能(AI)、先进控制系统、预测性维修和基于模型的故障检测等，正在提高其他行业的效率。这些团队将为强键的O&M 战略开发数字孳生技术，尤其是将大量间歇发电的资源集成入电网，有利于更灵活地运行。

许多人认为，核能对实现减排目标至关重要。通过降低O&M 成本，特别是下一代先进堆的O&M成本，提高核能发电的成本竞争力，有益于维护和增强这个重要能源。GEMINA专注于新型数字技术，实现O&M成本显著而可持续地降低。这些进步将为未来先进堆的运行奠定基础。先进堆将按照人员配备计划运行，固定的O&M成本将比其他发电资源更具竞争力。

2. 美国能源部启动先进堆示范规划(2020-05-14)[2]

美国能源部今天宣布启动核能办公室(DOENE)管辖的先进堆示范规划(ARDP)，旨在帮助美国国内私营企业示范先进(核反应)堆。

先进堆技术开发情况说明

国会在2020财政年度预算中拨款2.3亿美元，启动新堆示范。通过与业界成本分摊的伙伴关系，ARDP将提供1.6亿美元启动资金，用于建造两个反应堆，可在未来5至7年内投入运行。

美国能源部长丹·布鲁莱特(Dan Brouillette)说，“下一代核能对我们国家的能源安全和环境管理至关重要”。“正如最近公布的《核燃料工作组恢复美国核能领导地位战略》表明的那样，我们必须追求技术创新，增加先进核研发投资，加强美国在下一代核技术领域的领导地位，确保美国核能部门的健康和增长。”

主管核能办公室的助理部长丽塔·巴兰瓦尔博士(Dr. Rita Baranwal)说，“先进核能系统在降低排放、创造就业机会和建立强大的经济方面具有巨大的潜力”。“这个新项目为美国提供清洁能源、扩大市场先机，创造了巨大的机遇”。

除了两个反应堆，ARDP还将利用国家反应堆创新中心(NRIC)，发挥世界著名国家实验室系统的功能，有效地测试和评估ARD技术，使这些反应堆从蓝图变为现实。

ARDP的主要实施工具是今天发布的《ARD资助机会公告》，它为申请者提供了三个独立的技术开发和示范方式。资助申请窗口期90天，将于年底定案、拨款。

3. Moltex获美国350百万美元资助(2020-05-14)[3]

Moltex能源公司的稳定盐反应堆(SSR)，燃烧现有的核废料，为美国能源部选中并提供资助。

Moltex很高兴被选中，获得350万美元的资金，用于推进其稳定熔盐——核废料焚烧堆(SSR-W)技术。这些资金由美国能源部下属的机构，先进能源研究项目署(ARPA-E)提供。

Moltex北美首席执行官罗里·奥沙利文说，“我们非常感谢美国能源部承认这种独特的创新技术的潜在利益”。“Moltex的SSR-W，能安全、经济、高效地销毁现有的核废料，在产生清洁、电网级电力的同时，减少核废料存量。”

SSR-W还可提供可再生能源热能储存容量，收集和储存可再生能源(如风能和太阳能)在高峰期产生的能量，并在电力需求高升时反送电网。

这次是ARPA-E第二次选中Moltex并接受融资。第一次是2019年7月，公司收到255万美元，用于SSR-W商业化并按比例扩大规模。

奥沙利文补充说，“这些投资使我们能够利用美国的核专业知识，它是世界上最好的”。“我们在美国取得的技术进步，将用于我们正在加拿大新布伦瑞克建造的反应堆。”

大约两年前，新布伦瑞克能源解决方案公司和新布伦瑞克电力公司选中Moltex，在新布伦瑞克开发SSR-W技术，目标是2030年前在莱普瑞奥角(Lepreau Point)核电站现场建成第一个SSR-W型核电机组。

奥沙利文认为，“我们与加拿大、美国和英国政府以及私人和公用组织持续合作，将帮助我们实现全球脱碳的长期目标”。

4. 补充说明

4.1.《智能核资源管理发电》(GEMINA)[4]

技术类型：发电和输配电。

项目描述：GEMINA项目, 旨在为先进堆开发数字孪生(digital twin)技术，并改造下一代核电站的运行和维护(O&M)体制。先进能源研究计划署(ARPA-E)寻找跨学科的团队为先进堆设计开发数字孪生或类似的技术，作为运行和维护(O&M)的战略基础。执行者将设计各种工具，为在反应堆系统中引入更大的灵活性，提高运行的自动化，加快设计迭代。项目的目标是使先进堆发电设施O&M成本降低90%，从而提高它的经济竞争力。为了实现这个目标，各团队将应用其他行业的多种多样、提高效率的技术，如人工智能(AI)、先进控制系统、预测维修和以模型为基础的故障检测等。项目将集中于反应堆堆芯、核岛外的其他设施(BOP)或整个核电厂系统的O&M方案。由于先进堆仍在设计阶段，没有实际运行的机组，致力堆芯运行研发的团队，还要开发虚拟物理系统，使用综合的非核实验设施(如试验或流动回路)和软件，模拟先进堆堆芯运行动态。各团队将使用这些系统作为“实物资产”的代理，试验他们的数字孪生平台。

创新需求：美国许多核反应堆正在提前关闭。其中8座已在过去6年关闭;另有10座核电站计划在2025年之前退役。原因在于，尽管许多人认为核电是实现零碳电网的必要条件，但在某些市场上，核电站的成本相对地高。许多行业都在使用人工智能、先进数据分析、分布式计算、强大的物理仿真工具和其他突破，推进过程自动化、高效和低成本的O&M。它约占反应堆发电总成本的80%。到目前为止，核能工业还没有充分探索或应用这些创新，因此迫切需要设计高效和低成本的先进堆O&M规程。先进堆有巨大的创新机会，因为现在学到的知识可以反馈到设计中去，为优化O&M奠定基础。GEMINA在为未来奠定基础，先进堆将按照人员配备计划运行，而固定的O&M成本将比传统轻水堆更接近天然气联合循环电厂。

潜在的效应:项目目标是将固定的O&M成本，从现有堆群的$13/MWh降到先进堆群的$2/MWh。利益包括：

安全:建立美国先进堆技术的领导地位，提高美国能源安全，为强大和有弹性的电力系统提供安全、可靠、可调度的电力;

环境:用有竞争力的无碳电源降低与能源有关的碳排放量;

经济:提高生产力，为先进堆创造竞争优势。

4.2. GEMINA 资助项目描述

选定9个项目，涉及4种堆型：BWRX-300：2;HTGR：2;FHR：2;MSR：2。详见附录。

表：GEMINA 资助项目描述

其中与熔盐堆相关的项目详述如下：

SSR适用的自动化电厂：Moltex将为SSR-W开发多物理电厂数字孳生环境。SSR-W是(隔夜)基建成本很低的电厂设计，目标建成价 < $2/kWe。非核试验回路的各种不同效应支持开发数字孳生技术，展示/模拟SSR-W运行和维修(O&M)战略提供虚拟的试验环境，确认流动条件的不确定性更大。EPRI研究发现，在全美范围，取代天然气联合循环电厂的先进核能建成价，有可能 <$2/kWe。通过进一步降低SSR-W 的O&M平准化能源成本的贡献，从目前约 $11/MWh降至 $1.75/MWh，能源转型降低成本潜力巨大。

生成关键辐照数据，实现熔盐堆数字孳生：熔盐堆(MSR)的核燃料熔解在熔盐中。在高温下，流经反应堆堆芯，发生裂变，产生放射性物质。了解这些放射性物质的行为对于核反应堆设计、预测和降低O&M成本非常重要。麻省理工学院(MIT)将利用其核研究堆提供数据，确定MSR内的放射性物质是如何生成和输运的。MSR数字孳生需要这种关键数据，但目前没有这种数据。MIT将辐照计划用于熔盐堆结构的各种材料中含有燃料的熔盐，同时监测释放的放射性。

4.3. 《先进堆示范规划》(ARDP)[5]

先进核能系统在降低排放、创造新的就业机会和建设更强大经济方面有巨大潜力。ARDP将通过与美国核能界合作，共担成本，加快先进堆示范(ARD)。快速发展这些前景广阔的先进堆，可以在失去关键基础设施和供应链能力之前，扩大利用清洁能源，占据市场先机。

ARDP将通过《ARD基金机会公告》，提供1.6亿美元启动资金。申请者可透过以下三种不同的发展与示范方式获得资助:

● 先进堆示范：预计在7年内建成功能齐全的先进核反应堆。

● 降低未来演示的风险：预期支持另外多达五个团队，解决技术、运行和监管方面的挑战，为未来的演示机会做准备。

● 先进堆概念2020 (ARC 20)：支持创新和多样化设计，有潜质在本世纪30年代中期实现商业化。

ADRP将利用国家反应堆创新中心(NRIC)，高效试验和评估ARD技术，利用世界著名的国家实验室系统的能力，将这些反应堆从蓝图变为现实。

4.4.数字孪生(digital twin)技术

GEMINA项目的核心目标是“致力于开发数字孪生技术，以降低下一代核电站的运营和维护成本，所用的技术，如人工智能、先进的控制系统、预见性维修和模型为基础的故障监测，正在推动其他行业提高效率。[6]对于中国核工业的“老兵”，大多数人很可能对“数字孪生”(digital twin)“闻所未闻”，但对年轻的核科学工作者，这个概念不难理解。倘若意识到它对核工业的发展、在新形势下对核能在世界能源转型中所含的价值和意义，会激起学习、钻研、引入的浓厚兴趣，中国核工业能“跟”上去。

5. 业界反响

世界著名核能网站对美国开发先进堆、提供资助并不感到意外，也没有深入的评论。倒是几个影响面不大网站上发表的文章有些“新意”。

5.1. 美国核能研究所(US NEI)新堆与先进技术高级技术顾问埃弗雷特·雷蒙德14日发表文章说，“先进堆是使我们更接近无碳未来的关键步骤”。[7]

多亏创新开发商的工作和公-私伙伴关系的帮助，我们即将迎来下一代核电站。美国能源部通过三种方式提供资助：

● 先进堆示范(ARD)：支持两个核反应堆取照和建设，目标是7年左右投入运行。

● 降低未来演示的风险：帮助另外的开发商，使之技术更成熟，更好地准备部署(称为“风险降低途径”)。能源部最多资助五个设计，有可能比先进堆示范项目晚五年左右投入运行。

● 先进堆概念2020(ARC 20)：为距部署更远和更概念化的开发商设计提供资助。至多资助两种设计，能在2035年示范。

这个规划是使先进堆及它代表的无碳未来成为现实的关键一步。核能是美国最大零排放电力供应者，目前的核电站和下一代反应堆都是实现任何减排或气候目标的重要组成部分。未来10年，很可能看到通过私人投资和公-私合作建成多个新堆。

预计NuScale公司将在今年晚些时获得美国核管理委员会( NRC)颁发的首个小型模块化反应堆设计认证;它还与犹他州联合市政电力系统公司合作，在20年代中期在爱达荷国家实验室科技园区建成NuScale型IPWR堆群(60 X 12=720 MWe)核电厂。今年，OKLO公司也向美国核管理委员会提交了他们的“极光”(Aurora)型微堆(1.5 MWe)的申请，成了第一个非水冷先进堆的许可证申请者，厂址也选定在爱达荷州国家实验室科技园区。

图1. NuScale型IPWR堆群核电厂示意图

图2. Aurora微堆核电厂示意图

本世纪20年代将是核能创新的十年，将改变我们的生活方式。一旦建成，目前正在设计的先进堆的规模将与现有的反应堆有很大的不同，并可能用于其他用途，如除盐、生产工业用蒸汽，以及生产工业和运输需要的氢。

先进堆提供的最重要的东西是可靠、无碳的能源。通过持续的私人投资和公-私伙伴关系，这些新设计将在未来几代人减少碳排放方面发挥关键作用。

雷蒙德没有暗示这就是美国支持的两个“先进堆示范”项目。但据“能源部说，三种方式的第一种必然是获得NRC批准、功能齐全、先进轻水或非轻水核裂变反应堆”;“能源部告诉《核能内幕》，示范申请程序必须包括与客户实现商业运行的路径，而且有美国核管理委员会(NRC)批准的设计、选址，并在合作协议裁定时间框架内建成和运行”，似乎又非这两个项目“莫属”。[8]

5.2.《核能内幕》发文谈到SSR-W的经济和后处理工艺。[9]

Moltex认为，SSR与其他熔盐堆相比有很强的竞争力。因为简化了设计，像反应堆的传统燃料组件一样，熔盐燃料放在燃料细棒中，并不环绕堆芯、热交换器和循环泵加压循环流动。

Moltex估计，SSR-W(隔夜)基建成本 $1.95/W(1GW机组)。美国能源信息署(EIA)估计燃煤发电 $3.25/W，天然气发电 $1/W，现代大型核电机组 $5.5/W。

Moltex说，基于极其保守的估计，SSR的O&M平准化能源成本(LCOE)为 $44.64/MWh (1 GW机组)，远远低于EIA对新建燃煤和天然气发电机组的成本发预测值, $95/MWh和 $75/MWh。

如果一切按计划进行，Moltex 希望2030年建成满功率运转的、获得许可的反应堆。

Moltex的乏燃料采用“一步式高温冶金”后处理工艺“闭环”运行，整个流程紧凑，不存在“湿法”后处理工艺存在的废水管理问题。而且长寿命的锕系元素将转化为非放射性或短命的物质。因此，它肯定会有机会降低成本、体积和需要进入深地处置库(DGR)废物的毒性，为子孙后代减少高放射性的遗留废物。

图3. 不同核燃料循环，核废料的相对放射毒性

(Sarah Wilder, Nov 2009, The Risk of Nuclear Power: Weighing the Safety and Proliferation Concerns Associated with Nuclear Energy against the Threat of a Changing Climate and Energy Security. 2009 AIChE Annual Meeting)

启示

1. 美国是世界核能大国。上个世纪40年代以来，一直引导世界核能的发展。从本世纪初发起第四代核能研究、开发至今，先进核能系统的概念和面貌逐渐清晰，为核能转型奠定了基础。现在，实施先进堆工程示范的条件已经具备，可有序推进，完善核科学与工程系统，实现核能转型进而促进世界能源转型了。

看来，世界能源发展的未来，以可持续、可再生能源为主，先进核能系统为辅，可确保全人类的能源供应，确保环境友好、低碳世界的能源安全。

2. 核能转型，必须确保核安全，追求最经济，保障供应。先进堆示范，是核能安全范式转移的开端。似乎正从先进、成熟、模块化的压水堆与沸水堆，以及更小型、更安全、简单、完全自动化的热管、钠冷(快谱和热谱)微堆开始。再用几年时间，使还不大成熟、有待试验的盐冷高温堆(FHR)和稳定熔盐堆(SSR)成熟起来。617型合金已经纳入ASME规范，可使堆出口熔盐的温度更高[10]，热效率更高，逐步取代燃煤、天然气发电技术，并扩展到为运输和重工业减排。

3. FHR和SSR是发展方向。核燃料闭环，实现核废物最少、大量核废物转为中-低放、可地面和浅地储存的核废物，减少天然铀开采量，实现资源可持续性是最终方向。

熔盐堆(MSR)从上世纪60-70年代发明以来，一直在发展，但SSR的出现解除了核能界的顾虑。它使MSR大体上像PWR，有坚实的工程基础;核燃料闭环需要的高温后处理技术也在成熟。SSR概念提出以来，世界核科学与工程界没有发现重大、颠覆性的技术问题;现在，美国能源研究所(EPRI)又证实，SSR有经济潜力和资源生命力。或许可以断言，用核能取代天然气发电，技术和经济上没有出其“右”者。

4. 核能技术是逐渐发展、成熟的，通过实践，逐渐找到方向。2011年福岛事故给核工业的打击是沉重的，也使核能界彻底清醒：老调子已经唱完，老路越走越难，要有自知之明，另辟蹊径。核能转型，要有好的机制，引导科学发展，不能采取简单化的行政手段。政府对核技术采取“中性”态度，允许各种技术相互竞争，因势利导，道路会越走越明。MSR的研发是世界性的，安全、经济、闭环的要求，迫使核能走上“大道至简”的熔盐堆道路。

5. 至今，美国核科学家、政府业务部门仍然采取积极、慎重、开放、引导的方式，强调现实条件和最终目标。没人唱高调，他们担心的是失去对世界核能、乃至对能源转型的影响力。

2020年底，或许能给世界带来希望......

资料与注释

1. DOE，DOE Announces $27 Million for Advanced Nuclear Reactor Systems Operational Technology，MAY 13, 2020

2. DOE NE, S. Department of Energy Launches $230 Million Advanced Reactor Demonstration Program, MAY 14, 2020

3. MOLTEX，MOLTEX ENERGY SELECTED TO RECEIVE $3.5M TO ADVANCE REACTOR TECHNOLOGY，14 May 2020

4. ARPA-E, GEMINA—Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets, PROJECT DESCRIPTIONS,MAY 13, 2020

5. ARPA-E, GEMINA, PROJECT DESCRIPTIONS, FINAL, MAY 14, 2020

6. WNN, US DOE launches advanced reactor demonstration programme, 14 May 2020;Nuclear Energy Insider，Digital twin technology identified as key to increased safety and efficiency，Jul 3, 2019

7. EVERETT REDMOND，A Critical Step for Advanced Reactors Gets Us Closer to a Carbon-Free Future，US NEI，May 14, 2020

8. Paul Day，US program seeks two commercially viable advanced reactors，Nuclear Energy Insider，May 27, 2020

9. Nuclear Energy Insider，Moltex Energy, CNL explore innovative waste conversion tech for SSR，May 13, 2020

10. WNN, Alloy clear for use in high-temperature reactors, 06 May 2020