1.一個潛在突破

幾十年來，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，可能會使用另一種非常有前途的元素——釷。

美國能源部(DOE)愛達荷州國家實驗室(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)展開合作，制造出了一種新型核燃料，稱為“用于豐富生活的先進核能源”(Advanced Nuclear Energy for Enriched Life，簡稱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問題：成本、擴散和廢料。

另外，這種在美國生產(chǎn)的燃料，可以出口到世界其他的新興核能市場。

在過去的幾年里，氣候科學(xué)家們越來越一致地認為，核能對于減輕全球變暖最嚴重的影響至關(guān)重要。

2. CANDU和PHWR

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

在發(fā)展中國家，這種需求顯得更加緊迫。因為大多數(shù)發(fā)展中國家沒有安裝天然氣、風(fēng)能或太陽能的基礎(chǔ)設(shè)施。此外，許多地方即使考慮水電站，也沒有足夠的地形和河流流量進行發(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，開發(fā)新核能技術(shù)，特別是先進核燃料，對這一部署至關(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，但當應(yīng)用在重水堆，如坎杜(CANDU)和加壓重水反應(yīng)堆(PHWR)時，優(yōu)勢就更加明顯。更重要的是，它可以快速開發(fā)和部署。

CCTE計劃在2024年將這項技術(shù)推向市場。

“今天，世界上的新興國家及其公民，一直渴望獲得推動國家進步和繁榮的電力，他們需要一個充足且不間斷的電源，同時最好是清潔的。為實現(xiàn)這個目標，就必須解決多個關(guān)鍵性問題——成本、效率和可持續(xù)性。隨著時間流逝，面對日益加劇的氣候危機，實現(xiàn)這一愿景的緊迫性變得更加重要?！?Mehul Shah說，他是CCTE的創(chuàng)始人和CEO。

CANDU堆是20世紀50年代在加拿大開發(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個堆全部采用CANDU設(shè)計。

其他擁有CANDU反應(yīng)堆的國家包括阿根廷、中國、印度、韓國、巴基斯坦和羅馬尼亞。印度有18個基于CANDU設(shè)計的PHWR。

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

另一方面，有30個國家正在考慮、計劃或開始實施核計劃，另外還有20個國家表示有興趣在未來開展核計劃，其中大多數(shù)在發(fā)展中國家。

對于發(fā)展中國家來說，當配備合適的燃料時，CANDU/PHWR是一個最佳的反應(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中子的氫)。

此外，釷具有較高的熔點和較低的工作溫度，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)堆中燃燒的時間越長，消耗的能量也就越高。此外，更多的中子毒物在燃料的過度使用中滋生，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)，因為其他钚已經(jīng)燃燒釋放能量。同時，產(chǎn)生的乏燃料具有抗擴散性。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號機組的PHWR和加拿大的Darlington 1號機組分別保持連續(xù)運行962天和963天的世界紀錄。

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

如果使用ANEEL燃料，每個燃料包重約10.65kg。在最初1400天的運行之后，直至電站退役，平均每天只需要更換一個這樣的管束，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，減少對環(huán)境的影響?！?/p>

德克薩斯州的核科學(xué)和工程中心制造出了一批ANEEL，后運到INL，在INL的先進試驗堆加速試驗臺上對燃料芯塊(高達70000 MWd/T)進行高燃耗輻照試驗。

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

“我們支持發(fā)展先進核燃料。作為國家核能研究與開發(fā)中心，INL以其獨特的設(shè)施、能力和專業(yè)知識支持行業(yè)需求?！?Jess Gehin說道，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，特別是在獨居石中，這也是他們幾十年來一直在反應(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)點符合美國能源部最近發(fā)布的《恢復(fù)美國核能競爭優(yōu)勢》中的幾個要素，該報告稱，核能與國家安全有著內(nèi)在的聯(lián)系。

每當美國參與另一個國家的核計劃時，該國就簽署各種有關(guān)安全、武器不擴散和核材料(包括核燃料)的協(xié)議。其他像承諾國家放棄國內(nèi)鈾濃縮和乏燃料后處理的協(xié)議。簽署的國際原子能機構(gòu)附加議定書中規(guī)定了更嚴格的檢查制度。

迄今為止，美國已經(jīng)與48個國家簽訂了大約23個類似協(xié)議，其中包括烏克蘭、摩洛哥、埃及和中國臺灣。

但美國的核計劃在過去的幾十年里已經(jīng)萎縮。與此同時，其他國家的核能發(fā)展在加強，特別是俄羅斯和中國，這兩個國家都有核能國有企業(yè)，對安全和環(huán)境問題不太關(guān)心，還有韓國這樣的國家，它們的工業(yè)得到政府的支持，這在美國根本不可能。

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

隨著美國目前的雙邊共識，核能必須作為清潔能源的一部分進行發(fā)展。

CCTE使用ANEEL燃料的PHWR/CANDU，可以通過緩解人們對放射性擴散和廢物管理的擔憂，更快地將核能部署到更多新興國家。