作為美國(guó)能源部(DOE)核能辦公室加速核能創(chuàng)新通道(GAIN)計(jì)劃的一部分，DOE Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將與三家公司合作，幫助工業(yè)界開發(fā)一系列新的反應(yīng)堆和燃料循環(huán)概念，這些概念超越了當(dāng)今傳統(tǒng)的大型水冷反應(yīng)堆。
Argonne正在與工業(yè)界合作，支持下述三種不同類型的核反應(yīng)堆研發(fā)。
Radiant Industries
Argonne將與總部位于California州的初創(chuàng)企業(yè)Radiant Industries合作，針對(duì)Radiant的1.2 MWe、1.9 MWt先進(jìn)高溫氣冷(HTGR)微堆概念，對(duì)熱量產(chǎn)生和排出進(jìn)行數(shù)值模擬。氦氣從堆芯傳遞熱量，空氣夾套通過(guò)驅(qū)動(dòng)自然循環(huán)的風(fēng)扇以非能動(dòng)的方式冷卻堆芯。反應(yīng)堆設(shè)計(jì)為采用TRISO燃料。
根據(jù)該公司網(wǎng)站的信息，反應(yīng)堆將能夠通過(guò)卡車運(yùn)至廠址，并放置在混凝土基板上，電廠無(wú)需開挖。這種名為Kaleidos的微堆的主要優(yōu)點(diǎn)是采用移動(dòng)式設(shè)計(jì)，可用于替代柴油發(fā)電機(jī)。
Argonne核能工程師April Novak是該實(shí)驗(yàn)室的Maria Goepert Mayer研究員之一，他說(shuō)：“這種類型的反應(yīng)堆因其體積很小，所以與傳統(tǒng)反應(yīng)堆有很大不同。它針對(duì)的是核能的多樣化應(yīng)用，例如偏遠(yuǎn)社區(qū)和電動(dòng)汽車充電。”
Novak將幫助建立停堆狀態(tài)下微堆的高仿真計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，包括其非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)。其中一個(gè)余熱排出系統(tǒng)稱為空氣夾套，它由反應(yīng)堆和屏蔽層之間的一層薄薄的環(huán)境空氣組成。Novak表示：“空氣夾套設(shè)計(jì)用于非能動(dòng)導(dǎo)出衰變熱，提高核電生產(chǎn)的安全性。”。
Radiant首席執(zhí)行官Doug Bernauer表示：“與Argonne合作的空氣夾套建模工作將是真正地對(duì)非能動(dòng)冷卻獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的創(chuàng)新和關(guān)鍵要求。”。“我們計(jì)劃成為50多年來(lái)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)裝料試驗(yàn)的新型商業(yè)化反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。先進(jìn)反應(yīng)堆的全面商業(yè)化需要與DOE和幾個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(如Argonne和Idaho國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)之間的合作。”
Novak說(shuō)，該項(xiàng)目還將幫助研究人員根據(jù)燃料的燃燒方式識(shí)別反應(yīng)堆中的熱源。
Argonne通過(guò)GAIN計(jì)劃對(duì)Kaleidos進(jìn)行的工作是通過(guò)核能先進(jìn)建模和仿真項(xiàng)目進(jìn)行的早期工作的延伸。核能先進(jìn)建模和仿真(NEAMS)項(xiàng)目是美國(guó)能源部核能辦公室(DOE-NE)的項(xiàng)目，旨在開發(fā)先進(jìn)建模與仿真工具和能力，以加快先進(jìn)核能技術(shù)的部署，包括輕水反應(yīng)堆(LWR)、非輕水反應(yīng)堆和先進(jìn)燃料。
該項(xiàng)目利用美國(guó)的科學(xué)人才，專注于核能目標(biāo)，涉及六個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：燃料性能、反應(yīng)堆物理、結(jié)構(gòu)材料和化學(xué)、熱流體、多項(xiàng)物理學(xué)和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)。
Oklo Aurora微堆
在另一個(gè)GAIN資助項(xiàng)目中，Argonne核能工程師Darius Lisowski將領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)與Oklo合作，Oklo是一家同樣位于California州的核能公司，從事小型快堆的研發(fā)。該項(xiàng)目將測(cè)量一些反應(yīng)堆設(shè)備的傳熱。
這是Oklo和DOE國(guó)家實(shí)驗(yàn)室之間的最新合作。2022年11月，Oklo、Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Deep Isolation和Case Western Reserve大學(xué)獲得610萬(wàn)美元(約4180萬(wàn)人民幣)的資金，用于將當(dāng)前輕水反應(yīng)堆中的乏燃料回收為先進(jìn)反應(yīng)堆燃料。
2022年，Oklo被美國(guó)能源部選中參與四個(gè)成本分擔(dān)項(xiàng)目，總金額超過(guò)1500萬(wàn)美元(約1億人民幣)，用于從壓水堆乏燃料制備先進(jìn)反應(yīng)堆燃料的商業(yè)化。Oklo的CURIE項(xiàng)目將專注于從現(xiàn)有反應(yīng)堆中回收乏燃料的一個(gè)關(guān)鍵步驟，即將使用過(guò)的氧化物燃料轉(zhuǎn)化為金屬，以便使用Oklo正在商業(yè)化的工藝進(jìn)行回收。
Oklo的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Jacob DeWitte表示：“燃料回收將影響我們脫碳的速度。由于乏燃料約95%是可回收的，從而可以將廢物轉(zhuǎn)化為一種可用的資源。”。“目前乏燃料中含有足夠的能量，可以滿足全美國(guó)100多年的電力需求，而且不會(huì)產(chǎn)生碳排放。此外，某些長(zhǎng)壽命放射性同位素將在發(fā)電過(guò)程中被消耗，這減少并改變了乏燃料的處置負(fù)擔(dān)。”
Flibe Energy
獲得GAIN資助的第三個(gè)項(xiàng)目涉及Argonne核能工程師Melissa Rose領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，研究由熔鹽混合物驅(qū)動(dòng)和冷卻的反應(yīng)堆。雖然目前沒(méi)有熔鹽反應(yīng)堆投入商業(yè)使用，但Rose表示，熔鹽反應(yīng)堆有助于通過(guò)高溫處理回收核燃料，這也是Argonne開發(fā)的技術(shù)。
Rose說(shuō)：“理論上大約97%的核燃料可以使用，它只是被必須分離出來(lái)的裂變產(chǎn)物污染了。”。“熔鹽反應(yīng)堆可以讓我們更接近閉式燃料循環(huán)，在這個(gè)循環(huán)中，核燃料被反復(fù)使用。”
在熔鹽反應(yīng)堆中，燃料溶解在熔鹽中，熔鹽液體流過(guò)反應(yīng)堆。在GAIN資助的項(xiàng)目中，Rose與位于Alabama州的Flibe Energy合作。Flibe正在研發(fā)一種氟化物熔融反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆既可以用于發(fā)電，也可以制備醫(yī)用同位素用于癌癥治療。
氟化鋰釷基反應(yīng)堆(LFTR)是一個(gè)基于釷燃料循環(huán)運(yùn)行的熱譜熔鹽反應(yīng)堆。
Argonne開發(fā)并維護(hù)了專用設(shè)備，Rose和她的同事將使用這些設(shè)備測(cè)量熔融鹽的特性。從熔點(diǎn)到相行為，再到熱容和熱擴(kuò)散率，Argonne對(duì)這些特性的分析將有助于Flibe使他們的反應(yīng)堆更接近建設(shè)。
