美國(guó)能源部正在投入大量資金維持美國(guó)的老舊核反應(yīng)堆繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)為未來(lái)的核能產(chǎn)業(yè)打下基礎(chǔ)。核能仍然是美國(guó)領(lǐng)先的單一零碳電力來(lái)源。以下是美國(guó)能源部正在投入資金的五個(gè)目標(biāo)。

先進(jìn)理論研究

近日，美國(guó)政府宣布的一項(xiàng)撥款將支付1200萬(wàn)美元，以資助美國(guó)各國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家對(duì)核物理的邊緣問(wèn)題進(jìn)行高級(jí)研究。

根據(jù)能源部的一份聲明，資助的五個(gè)項(xiàng)目“涵蓋了核子的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)、夸克和膠子的奇異狀態(tài)、夸克—膠子等離子體的微觀特性以及中微子和核相互作用等主題。

雖然這項(xiàng)研究是先進(jìn)的，而且主要是理論研究，但有可能開(kāi)辟?gòu)V泛的實(shí)際應(yīng)用。

“核物理學(xué)的進(jìn)展為我們世界的本質(zhì)提供了重要的新見(jiàn)解，以及在國(guó)家安全、能源、健康和太空探索領(lǐng)域的新應(yīng)用”，核物理學(xué)科學(xué)副主任霍爾曼在一份聲明中說(shuō)。

任何這樣的進(jìn)步都需要“嚴(yán)格的理論框架”，以幫助科學(xué)家推動(dòng)具有實(shí)際效益的下一代研究?；魻柭a(bǔ)充說(shuō)。

這些將包括“探索更多的清潔能源選擇以及核醫(yī)學(xué)和工業(yè)的新應(yīng)用”。

培訓(xùn)核電工程師

能源部還在資助大學(xué)教育“下一代核安全工作隊(duì)伍”。將有500萬(wàn)美元提供給三所州立大學(xué)，以幫助他們?cè)O(shè)立課程，培訓(xùn)電氣工程師，在核反應(yīng)堆中工作。

這個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目匯集了德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校、新墨西哥大學(xué)和北卡羅來(lái)納州農(nóng)業(yè)技術(shù)州立大學(xué)，將培訓(xùn)學(xué)生設(shè)計(jì)能夠在核反應(yīng)堆內(nèi)的極端環(huán)境中運(yùn)作的部件。

德克薩斯大學(xué)電氣工程教授雷耶斯在一份聲明中說(shuō)：“我們正處于一個(gè)特殊的時(shí)間點(diǎn)，工業(yè)界和政府都認(rèn)識(shí)到迫切需要增加電氣工程的勞動(dòng)力。”

雷耶斯補(bǔ)充說(shuō)，需要擴(kuò)大就業(yè)培訓(xùn)，“以刺激國(guó)內(nèi)電力需求的增長(zhǎng)，如芯片制造、交通電氣化、航空航天系統(tǒng)和先進(jìn)的電子封裝等領(lǐng)域”。

讓老廠繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)

今年早些時(shí)候通過(guò)的基礎(chǔ)設(shè)施立法，包含了60億美元的民用核信用額度，幫助保持核電廠的正常運(yùn)行，否則這些電廠將被化石燃料電廠取代。

能源部上個(gè)月支付了第一筆款項(xiàng)，支出了11億美元以維持南加州的暗黑峽谷發(fā)電廠的運(yùn)行。

該電廠已經(jīng)成為“雙碳”時(shí)代核電命運(yùn)的公眾斗爭(zhēng)焦點(diǎn)，之前已被設(shè)定為到2025年分階段退役。而當(dāng)?shù)毓賳T也贊揚(yáng)了這項(xiàng)撥款。

Salud Carbajal議員在一份聲明中說(shuō)：“面對(duì)創(chuàng)紀(jì)錄的熱浪和不斷加劇的氣候危機(jī)，我們面臨太多的利害關(guān)系，不能在完全擺脫污染性化石燃料的斗爭(zhēng)中選擇后退。”

據(jù)能源部稱，如果該核電站也關(guān)閉，就有13個(gè)本來(lái)可以使用的核電站的在過(guò)去十年中提前關(guān)閉。

能源部將于2023年1月開(kāi)始接受下一輪民用核電信貸申請(qǐng)。

建立核燃料供應(yīng)鏈

官員們?cè)?1月宣布，能源部正投入1.5億美元用于生產(chǎn)對(duì)先進(jìn)反應(yīng)堆至關(guān)重要的核燃料。所謂的高純度低濃鈾燃料(HALEU)是比目前反應(yīng)堆中使用的核燃料濃縮度高得多的鈾，但與核武器中使用的各種濃縮鈾相比，它只是低濃縮的。

由于它對(duì)更小、更高效的核反應(yīng)堆至關(guān)重要，能源部估計(jì)，到本世紀(jì)末，美國(guó)每年將需要約40噸的高濃縮鈾。

美國(guó)能源部部長(zhǎng)珍妮弗—格蘭霍姆在一份聲明中說(shuō)：“減少我們對(duì)敵對(duì)國(guó)家的HALEU燃料的依賴，并建立我們的國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈，將使美國(guó)能夠發(fā)展我們的先進(jìn)反應(yīng)堆，并為美國(guó)人提供更多清潔、可負(fù)擔(dān)的電力。

這筆資金將提供給位于馬里蘭州的美國(guó)離心機(jī)運(yùn)營(yíng)公司，用于支付6臺(tái)離心機(jī)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用，這些離心機(jī)每年可生產(chǎn)約一噸高濃縮鈾，足以滿足美國(guó)的緊迫需求。

能源部將其作為創(chuàng)建國(guó)內(nèi)HALEU產(chǎn)業(yè)的更大動(dòng)力的一部分。

格蘭霍姆說(shuō)：“這表明，能源部致力于與行業(yè)伙伴合作，啟動(dòng)商業(yè)規(guī)模的HALEU生產(chǎn)，以創(chuàng)造更多的清潔能源就業(yè)機(jī)會(huì)，并確保所有美國(guó)人都能獲得核能的好處。

追趕核聚變的步伐

能源部在10月份宣布了提供4700萬(wàn)美元用于核聚變研究。與裂變不同，核聚變能量是通過(guò)強(qiáng)迫原子結(jié)合而不是分裂產(chǎn)生的，這個(gè)過(guò)程不會(huì)釋放出放射性污染。

但是，驅(qū)動(dòng)原子融合需要的極端高溫和高壓，目前的聚變?nèi)匀恢皇且环N理論上的能源，無(wú)法實(shí)用。

在核聚變所需的過(guò)熱溫度和壓力下，氣體會(huì)變成等離子體，這是極難控制的。

利哈伊大學(xué)的Eugenio Schuster說(shuō)：“我們不能只是把它放在一個(gè)容器里，因?yàn)樗鼘⑷诨佑|到的任何東西。”他已獲得175萬(wàn)美元，與研究人員一起研究這個(gè)問(wèn)題。這筆錢(qián)有助于支付美國(guó)和國(guó)際科學(xué)家在中國(guó)、歐盟和韓國(guó)的研究“托卡馬克”場(chǎng)所進(jìn)行的合作實(shí)驗(yàn)。

對(duì)這個(gè)問(wèn)題最有希望的解決方案是一個(gè)甜甜圈形狀的反應(yīng)器，其中旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)包含不斷增長(zhǎng)的聚變反應(yīng)。這些磁場(chǎng)“創(chuàng)造了一個(gè)無(wú)形的瓶子來(lái)容納它，并防止這些帶電粒子逃逸”，Schuster補(bǔ)充說(shuō)。

Schuster駐扎在ITER——一個(gè)國(guó)際性的歐洲測(cè)試反應(yīng)堆。在那里，科學(xué)家的目標(biāo)是“產(chǎn)生比運(yùn)行所需多10倍的能量”，他說(shuō)。“聚變界的每個(gè)人都在直接或間接地為ITER工作”。

其他的核聚變資金將支持美國(guó)研究人員在EAST和韓國(guó)的KSTAR進(jìn)行實(shí)驗(yàn)——兩者都是比美國(guó)現(xiàn)有的方案更先進(jìn)的“長(zhǎng)脈沖裝置”。

在這些海外研究機(jī)構(gòu)工作“將幫助我們從這些超導(dǎo)托卡馬克設(shè)備中開(kāi)展研究，以便最終我們可以在美國(guó)建立一個(gè)長(zhǎng)脈沖反應(yīng)堆級(jí)別的裝置”，Schuster說(shuō)。