對于美國來說，核電站不僅是最大的無碳電力源，還可以全年無休、晝夜24小時運行，補充風能和太陽能等間歇性可再生能源產(chǎn)生的缺口。此外，有研究表明，核能是最安全的能源形式之一，特別是考慮到工業(yè)事故和化石燃料排放造成的疾病等因素，核能的優(yōu)勢更加凸出。

綜上所述，核能有可能在世界能源未來發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，在核能實現(xiàn)這一潛力之前，研究人員和工業(yè)界還必須克服一個巨大的挑戰(zhàn)：成本。
 
1、非標準化成本  
愛達荷國家實驗室（INL）團隊正與美國各地專家合作，努力解決核電廠基礎(chǔ)設施建設方面的一個重要部分：抗震力。
 
目前，INL設施風險小組主要采取的是多管齊下的方法，包括減少混凝土、鋼筋和其他基礎(chǔ)設施數(shù)量，進而提高先進堆抗震安全性，同時也大幅降低投入成本。
 
這一方法是INL、工業(yè)界、美國能源部（DOE）高級研究計劃署—能源（ARPA-E）和紐約州立大學-布法羅（SUNY Buffalo）之間合作的一部分。
 
對于20世紀70年代或更早建造的反應堆來說，參與方包括大量的公用事業(yè)公司、反應堆設計公司和各種核電供應商，造成美國核電站在設計上存在很大的差異。
 
幾乎可以說，美國的每個新核電站都是定制的，因此可能會造成高昂的建造失誤成本，在設計上也很難進行變更。此外，缺乏標準化建設方案，增加了監(jiān)管時間和費用成本。
 
最近有兩個西屋AP1000堆型的核電項目就出現(xiàn)了類似問題，充分證明了美國核工業(yè)的現(xiàn)狀。
 
2017年，南卡羅來納州的V. C. Summer核電站，由于成本失控，超支達980億美元被迫停工。
 
佐治亞州的沃格特爾發(fā)電廠（Vogtle Electric Generating Plant）因增加兩個反應堆，成本從最初的140億美元增加到250多億美元。
 
2、電廠設計的抗震考慮
 
SUNY Buffalo土木、結(jié)構(gòu)和環(huán)境工程系教授安德魯·惠塔克（Andrew Whittaker）說：“核能很可能會出現(xiàn)一夜間成本高出四到五倍的情況。因此，在電廠設計建設階段，我們多數(shù)工作都集中在如何提供足夠的安全性和降低成本方面，如何從新建核電站中縮減每一分錢，這種情況在其他行業(yè)也同樣存在。”
 
為了實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟，電力建設單位和核工程師通常會在每個發(fā)電廠建設多個大型反應堆。
 
對于輕水堆來說，這同時意味著需要建設大量的基礎(chǔ)設施，耗費大量的鋼筋、混凝土和鋼材。整體來說，在電廠設計中，不僅要考慮電站運行所需的高壓環(huán)境，還要考慮到發(fā)生大地震或其他自然災害時保護反應堆。
 
在一些電廠建設中，為確保地震穩(wěn)定性，首先要清除和更換現(xiàn)場的所有土壤。
 
然后，用許多噸鋼筋混凝土建成地基、冷卻塔和其他基礎(chǔ)設施，這些基礎(chǔ)設施都是混凝土和鋼筋復合材料。目前來看，這種有些過度建設核電設施以降低地震風險的策略效果良好。
 
世界核協(xié)會（World Nuclear Association）估計，世界上有20%的核反應堆在地震活動嚴重的地區(qū)運行，然而地震直接造成的核反應堆損壞卻很少。
 
以福島第一核電站的情況為例：日本東北9.0級大地震引發(fā)了40英尺高的海嘯，破壞了核電站的冷卻系統(tǒng)，導致了事故的發(fā)生。
 
據(jù)WNA稱，“當時該地區(qū)4座核電站的11座反應堆正在運行，地震發(fā)生時，所有反應堆都自動關(guān)閉。隨后的檢查顯示，地震沒有造成任何重大損失。事實證明，（福島第一核電站）反應堆在地震中很堅固，但在海嘯中很脆弱。”
 
盡管如此，我們目前為地震安全設計核電站的方式，往往使新的反應堆建設成本過高，特別是在美國。
 
3、用于抗震設計的高昂成本
 
“對于美國和西歐的核反應堆來說，資本成本如此之高，以至于很少有公用事業(yè)能夠負擔得起建設費用，”加利福尼亞大學核工程副教授雷切爾·斯萊博（Rachel Slaybaugh）說。斯萊博最近開始領(lǐng)導ARPA-E計劃，也是拜登總統(tǒng)團隊的成員。
 
斯萊博補充說，“現(xiàn)在，如果你建造一個新的反應堆，成本是50%的場地準備和混凝土，部分原因是抗震減災。”
 
根據(jù)設施風險小組負責人Chandu Bolisetti的說法，降低這些成本是INL關(guān)注的一個重要方面。如果不考慮地震安全基礎(chǔ)設施，這一切都不可能發(fā)生。
 
“最近，人們發(fā)現(xiàn)核工業(yè)的許多經(jīng)濟問題，都是由于結(jié)構(gòu)和建筑工程造成的。大部分成本來自圍繞堆芯建造的相關(guān)結(jié)構(gòu)，而不是堆芯本身，而地震危險是如何設計這些結(jié)構(gòu)的驅(qū)動因素之一。”
 
通過先進堆的設計創(chuàng)新和標準化（主要在燃料和冷卻劑方面）降低成本，有助于緩解目前的成本困境。例如，大多數(shù)先進堆設計依賴于自然循環(huán)系統(tǒng)，而不是泵來實現(xiàn)冷卻劑循環(huán)和事故安全系統(tǒng)。
 
這些非能動安全特性不僅減少了基礎(chǔ)設施的數(shù)量，而且消除了電泵、閥門和多余的管道，還使反應堆發(fā)生事故時人員能夠安全撤離。
 
此外，大多數(shù)快堆設計在接近大氣壓的條件下運行，因此它們不需要昂貴的安全殼圓頂以及所有相關(guān)的混凝土和鋼筋。
 
此外，一些先進的反應堆可以設計成在工廠里建造，然后運到建筑工地，而不是定制建造。標準化反應堆設計方式有可能大大減少設計錯誤和建設缺陷。
 
一旦反應堆設計得到證實和批準，重復建造同一個反應堆將減少監(jiān)管費用，并將監(jiān)管審查時間縮短數(shù)年。
 
但Bolisetti指出了一個主要障礙。
 
“現(xiàn)在，在加州建造一個電廠，并獲得許可證，在紐約建造同樣一個，看上去沒什么問題，但仔細想想就不對勁。地震災害是標準化的一大障礙。你怎么能在任何地方使用同樣的設備，同時又能夠保證安全呢？”
 
4、隔震設計
 
Bolisetti和設施風險小組研究了其他行業(yè)，特別是地震多發(fā)地區(qū)的行業(yè)，并將這些技術(shù)與最先進的建模和分析相結(jié)合，提出了應對地震挑戰(zhàn)的不同方法。
 
其中一個解決方案——隔震。它利用了一種已成功應用于保護各種基礎(chǔ)設施項目的技術(shù)——應用于從學校到海上鉆井平臺再到橋梁。
 
美國利用隔震技術(shù)建造的建筑物包括舊金山市政大廳、鹽湖城的猶他國家首都大廈和加利福尼亞丘珀蒂諾的蘋果總部。
 
地震隔離裝置基本上是位于建筑物和地基之間的減震器。有許多不同類型的地震隔離器，但一個共同的設計是由交替層橡膠和鋼鉛芯。
 
根據(jù)建筑以及場地的抗震特性，工程師可以在任何給定的建筑下放置數(shù)十甚至數(shù)百個隔震器。當?shù)卣鹨u擊核電站時，地震隔離器吸收地震的能量，大部分能量將被消散，這種設計以肉眼可見的程度大大降低震動水平。
 
斯萊博認為，地震隔離器是核反應堆標準化的一項重要且相對廉價的技術(shù)。
 
“有了隔離器，就可以擺脫針對特定地點的工作了。”她說，“你不是在定制建筑或反應堆，只是制定每個電廠的抗震措施。”
 
5、地震分析與風險評估
 
另一種降低核電設施成本的方法是仔細評估某一地點的地震風險，然后針對性建造核設施。
 
工程師們現(xiàn)在依靠概率地震危險性分析和地震概率風險評估方法來量化潛在地震的強度和核設施受損的風險設施，分別設計和維護核電設施，使其能夠承受給定位置預期的最大地震。但現(xiàn)有的方法意味著工程師們經(jīng)常為地震過度設計結(jié)構(gòu)。
 
例如，根據(jù)WNA數(shù)據(jù)，法國的核電設施設計成能夠承受兩倍于為每個核電站計算的1000年一遇的地震。在某些地點，這可能是一個適當?shù)牡卣鸢踩剑谄渌攸c，這顯然有些過了。
 
地震荷載的預測具有極大的挑戰(zhàn)性，且存在一定的不確定性。
 
Bolisetti說：“我們目前過度設計是因為我們傾向于非常保守，在計算地震荷載時使用較大的安全系數(shù)。我們正在努力提高地震荷載預測的準確性，因此工程師不必使用如此大的安全系數(shù)。”
 
在INL，Bolisetti和他的同事們正在使用強大的建模和仿真工具，以更好地了解核電站和大壩等不同類型的安全關(guān)鍵設施的地震風險。
 
Bolisetti的團隊正在使用多物理場仿真模塊面向?qū)ο蠓抡姝h(huán)境（MOOSE），這是INL開發(fā)的一個框架，允許研究人員通過插入正確的物理方程來構(gòu)建自己的仿真應用程序。
 
盡管INL的計算機科學家最初設計MOOSE來模擬核燃料在反應堆中的運行，但這個開源軟件足夠靈活，可以模擬許多物理問題，包括地震分析。
 
MOOSE應用程序——MASTODON（隨機時域現(xiàn)象的多風險分析）專門設計用于在3D中模擬地震和洪水等自然災害和人為災害對核反應堆等構(gòu)筑物造成的風險。
 
這種建模和仿真技術(shù)可以用來回答復雜的問題：在地震期間，當“液體”震動時，在一些先進反應堆中發(fā)現(xiàn)的熔鹽/燃料混合物會如何反應？熔鹽混合物如何響應地震隔離器阻尼的地震運動？
 
另一些問題涉及先進堆的設計，思路是把反應堆埋在地下。
 
“我們知道，當把物體嵌入地里，物體承受的地震荷載會較小，”Bolisetti說，“但我們不知道有多少，因此用模擬工具來預測深埋結(jié)構(gòu)的地震載荷。”
 
他補充道：“如果你使用更精確的工具來證明一個設施有很好的安全裕度，你就不必花費1億美元來加固那些不需要加固的東西。”
 

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