作為美國能源部(DOE)核能辦公室加速核能創(chuàng)新通道(GAIN)計劃的一部分，DOE Argonne國家實驗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Radiant的1.2 MWe、1.9 MWt先進(jìn)高溫氣冷(HTGR)微堆概念，對熱量產(chǎn)生和排出進(jìn)行數(shù)值模擬。氦氣從堆芯傳遞熱量，空氣夾套通過驅(qū)動自然循環(huán)的風(fēng)扇以非能動的方式冷卻堆芯。反應(yīng)堆設(shè)計為采用TRISO燃料。
根據(jù)該公司網(wǎng)站的信息，反應(yīng)堆將能夠通過卡車運至廠址，并放置在混凝土基板上，電廠無需開挖。這種名為Kaleidos的微堆的主要優(yōu)點是采用移動式設(shè)計，可用于替代柴油發(fā)電機(jī)。
Argonne核能工程師April Novak是該實驗室的Maria Goepert Mayer研究員之一，他說：“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。它針對的是核能的多樣化應(yīng)用，例如偏遠(yuǎn)社區(qū)和電動汽車充電。”
Novak將幫助建立停堆狀態(tài)下微堆的高仿真計算流體動力學(xué)模型，包括其非能動余熱排出系統(tǒng)。其中一個余熱排出系統(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)計用于非能動導(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非能動冷卻獨特優(yōu)勢的創(chuàng)新和關(guān)鍵要求。”。“我們計劃成為50多年來第一個實現(xiàn)裝料試驗的新型商業(yè)化反應(yīng)堆設(shè)計。先進(jìn)反應(yīng)堆的全面商業(yè)化需要與DOE和幾個國家實驗室(如Argonne和Idaho國家實驗室)之間的合作。”
Novak說，該項目還將幫助研究人員根據(jù)燃料的燃燒方式識別反應(yīng)堆中的熱源。
Argonne通過GAIN計劃對Kaleidos進(jìn)行的工作是通過核能先進(jìn)建模和仿真項目進(jìn)行的早期工作的延伸。核能先進(jìn)建模和仿真(NEAMS)項目是美國能源部核能辦公室(DOE-NE)的項目，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。
該項目利用美國的科學(xué)人才，專注于核能目標(biāo)，涉及六個技術(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、多項物理學(xué)和應(yīng)用驅(qū)動。
Oklo Aurora微堆
在另一個GAIN資助項目中，Argonne核能工程師Darius Lisowski將領(lǐng)導(dǎo)一個研究團(tuán)隊與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)。該項目將測量一些反應(yīng)堆設(shè)備的傳熱。
這是Oklo和DOE國家實驗室之間的最新合作。2022年11月，Oklo、Argonne國家實驗室、Deep Isolation和Case Western Reserve大學(xué)獲得610萬美元(約4180萬人民幣)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被美國能源部選中參與四個成本分擔(dān)項目，總金額超過1500萬美元(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項目將專注于從現(xiàn)有反應(yīng)堆中回收乏燃料的一個關(guān)鍵步驟，即將使用過的氧化物燃料轉(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100多年的電力需求，而且不會產(chǎn)生碳排放。此外，某些長壽命放射性同位素將在發(fā)電過程中被消耗，這減少并改變了乏燃料的處置負(fù)擔(dān)。”
Flibe Energy
獲得GAIN資助的第三個項目涉及Argonne核能工程師Melissa Rose領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，研究由熔鹽混合物驅(qū)動和冷卻的反應(yīng)堆。雖然目前沒有熔鹽反應(yīng)堆投入商業(yè)使用，但Rose表示，熔鹽反應(yīng)堆有助于通過高溫處理回收核燃料，這也是Argonne開發(fā)的技術(shù)。
Rose說：“理論上大約97%的核燃料可以使用，它只是被必須分離出來的裂變產(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，熔鹽液體流過反應(yīng)堆。在GAIN資助的項目中，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)是一個基于釷燃料循環(huán)運行的熱譜熔鹽反應(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)備測量熔融鹽的特性。從熔點到相行為，再到熱容和熱擴(kuò)散率，Argonne對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)。
