上圖：兩種 NANO 微反應(yīng)器均設(shè)計為適合標(biāo)準(zhǔn) ISO 集裝箱

NANO Nuclear Energy Inc由 Jay Jiang Yu 創(chuàng)立，其成立源于人們對核能興趣的重新燃起。部分原因是人們認(rèn)識到對風(fēng)能和太陽能等可再生能源的投資正在下降，同時也認(rèn)識到工業(yè)脫碳的指令即將出臺，而唯一的解決方案就是核能。

詹姆斯·沃克是這家新興企業(yè)的首批員工之一，他曾是核物理學(xué)家和工程師，他清楚核工業(yè)的準(zhǔn)入門檻很高，而且資本密集度很高。盡管如此，他解釋道：“經(jīng)過進(jìn)一步分析，我們很快意識到，我們認(rèn)為最具潛力的領(lǐng)域?qū)嶋H上不是小型模塊化反應(yīng)堆等較發(fā)達(dá)的領(lǐng)域，而是微型反應(yīng)堆領(lǐng)域。這是因為即使你一年可以制造 10 萬個微型反應(yīng)堆，但仍然無法滿足它們可能產(chǎn)生的需求。”

沃克認(rèn)為，微反應(yīng)堆可以將核能部署到以前沒有核能的地區(qū)，事實上，除了柴油之外沒有其他能源。偏遠(yuǎn)社區(qū)、軍事基地、救災(zāi)區(qū)、偏遠(yuǎn)工業(yè)區(qū)、采礦項目、石油和天然氣項目以及海上船舶等市場都在考慮范圍內(nèi)。正如沃克所說：“客戶數(shù)量不斷增加。”

然而，除了明顯的市場機(jī)會之外，技術(shù)因素也發(fā)揮了一定作用。“我們對這個領(lǐng)域感興趣的另一個原因是，該領(lǐng)域的發(fā)展水平遠(yuǎn)不及 SMR。沒有獲得許可的微型反應(yīng)堆公司，甚至沒有一家公司正在申請許可。我們認(rèn)為，只要有合適的團(tuán)隊和合適的公司結(jié)構(gòu)，我們就能獲得適當(dāng)?shù)娜谫Y，我們實際上可以很快進(jìn)入這個領(lǐng)域，”沃克解釋說。

在決定進(jìn)入微反應(yīng)器領(lǐng)域后，NANO 迅速聯(lián)系了兩個世界領(lǐng)先的著名研究團(tuán)隊。一個來自加州伯克利大學(xué)，另一個來自英國劍橋大學(xué)。“我們對客戶真正想要的東西做了一些分析，發(fā)現(xiàn)沒有人愿意購買反應(yīng)堆，沒有人愿意運(yùn)行反應(yīng)堆，也沒有人愿意在反應(yīng)堆報廢后處理它。我們意識到，如果我們擁有反應(yīng)堆，我們就會運(yùn)營它，我們只出售能源，這實際上是一種每個人都可能感興趣的商業(yè)模式，因為在偏遠(yuǎn)地區(qū)，柴油的成本實際上非常高，”他補(bǔ)充說，每天、每周或每月運(yùn)送燃料的物流成本比燃料本身的成本高出很多。相反，微反應(yīng)器只需運(yùn)行 15 或 20 年，無需燃料供應(yīng)或其他密集的后勤支持。沃克解釋說：“如果我們與某個礦山簽訂了為期 15 年的合同，我們就可以算出需要花費(fèi)多少成本，然后我們可以隨著時間的推移縮減資本成本，并實際上開始降低這些地區(qū)的柴油成本。”

有效地建立了業(yè)務(wù)框架之后，這反過來又為實質(zhì)性的設(shè)計元素提供了信息：“一旦我們有了這種商業(yè)模式，我們就知道我們必須讓微反應(yīng)堆非常便攜，它們必須采用被動冷卻以使其更加安全，它們必須具有很少的機(jī)械部件，不需要太多人員，并且它們必須能夠通過公路、輪船或火車運(yùn)輸，這樣你就可以非常輕松地將它部署到任何地方。

反應(yīng)堆設(shè)計基礎(chǔ)

鑒于商業(yè)模式的限制，兩個技術(shù)團(tuán)隊的設(shè)計起點是相同的指導(dǎo)方針，但兩個團(tuán)隊都提出了新穎的解決方案。對于來自伯克利大學(xué)的宙斯團(tuán)隊(ZEUS 是他們的反應(yīng)堆的名稱)來說，他們的解決方案是完全去除冷卻劑，取而代之的是實心堆芯。在這種情況下，利用熱傳導(dǎo)將鈾的熱量轉(zhuǎn)移到堆芯外圍，然后正常的空氣循環(huán)將熱量從堆芯外圍帶走以供使用。“這幾乎是制造反應(yīng)堆最簡單的方法，”沃克說，并補(bǔ)充道：“我們甚至稱之為核電池，因為我認(rèn)為你不能再簡化了。”

上圖：NANO 核能 ZEUS 反應(yīng)堆

與此同時，劍橋大學(xué)的 ODIN 團(tuán)隊想出了另一種方法。“他們更多地考慮部署更商業(yè)化的產(chǎn)品，因此他們希望使用技術(shù)就緒程度更高的技術(shù)，包括現(xiàn)成的組件、已知燃料和已知技術(shù)，這樣許可就會非常容易。”

他們的解決方案是利用熱對流的太陽鹽，同時使用自然循環(huán)來散熱。“同樣，這是非常簡單的方法，而 ODIN 的好處實際上是它在較低的溫度下運(yùn)行，熱應(yīng)力較小，而且制造成本低廉，”沃克指出。

上圖：NANO Nuclear 團(tuán)隊設(shè)計的 ODIN 反應(yīng)堆

對于這兩座反應(yīng)堆，由于輸出功率相對較小，因此在等容器尺寸內(nèi)仍有大量空間，這是主要的尺寸限制，這使得渦輪機(jī)等外圍系統(tǒng)可以包含在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱裝置內(nèi)。兩臺機(jī)器都運(yùn)行布雷頓循環(huán)渦輪機(jī)，支持緊湊設(shè)計。“在 100° 以上運(yùn)行水冷反應(yīng)堆意味著需要高壓，這會導(dǎo)致更復(fù)雜的安全案例和更長的許可期。如果像 ODIN 一樣使用太陽鹽，則可以避免這些問題，因為鹽的沸點顯然要高得多。如果你能移除增壓器，反應(yīng)堆就會進(jìn)一步縮小，而在 ZEUS 反應(yīng)堆上，他們的解決方案是完全移除冷卻劑，”他說。沃克還指出，劍橋大學(xué)深度參與了航空母艦渦輪機(jī)的研究，這使得 NANO 能夠開發(fā)自己的優(yōu)化渦輪機(jī)，以適應(yīng)將與它們一起安裝的兩種反應(yīng)堆設(shè)計。

雖然兩座反應(yīng)堆的設(shè)計理念截然不同，但沃克堅信這是正確的方法：“我們現(xiàn)在可以設(shè)想這樣一種情況，盡管我們組建了兩座反應(yīng)堆團(tuán)隊來降低風(fēng)險，從而獲得兩種成功模式，但兩座反應(yīng)堆最終卻具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，因為 ODIN 制造成本低，可以很容易地進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和部署，而 ZEUS 的工作溫度更高，更適合用于工業(yè)工藝熱等方面。出于這個原因，我們?nèi)栽谕瑫r追求這兩種方案，”他說。

此外，兩支團(tuán)隊還具有其他優(yōu)勢，正如 Walker 所解釋的那樣：“技術(shù)團(tuán)隊實際上可以互相幫助，并在我們進(jìn)行過程中互相審核，以進(jìn)行健全性檢查。如果是熱交換器工作之類的工作，兩支團(tuán)隊都可以從中受益，那么他們實際上可以傳遞其中一支團(tuán)隊所掌握的知識。有時我們會將工作結(jié)合起來，即使進(jìn)行兩種不同的設(shè)計有很大的好處。”

設(shè)計方法的一個關(guān)鍵部分是爭取監(jiān)管部門的批準(zhǔn)和許可，NANO 從一開始就采取了實質(zhì)性措施與監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行接觸。“我們一直在尋求改進(jìn)、開發(fā)和完善我們已有的產(chǎn)品，但我仍然認(rèn)為，在微反應(yīng)堆領(lǐng)域，就推出商業(yè)產(chǎn)品而言，我們確實處于領(lǐng)先地位，因為我們已經(jīng)預(yù)見了監(jiān)管要求以及如何圍繞這些要求進(jìn)行實際設(shè)計，而且我們也非常透明。我認(rèn)為我們是唯一一家向政府付費(fèi)讓工程團(tuán)隊對我們的反應(yīng)堆進(jìn)行拆解、查看并向我們提供反饋的微反應(yīng)堆公司，”沃克說。

沃克表示，這兩個反應(yīng)堆的設(shè)計都經(jīng)過了愛達(dá)荷國家實驗室的深入審核，主要就是出于這個原因。“這種外部驗證和意見實際上非常有用，”他說，并指出這些工程調(diào)查的結(jié)果會被納入許可文件中。

劍橋大學(xué)一直致力于 ODIN 反應(yīng)堆的研究，該團(tuán)隊的技術(shù)成熟度更高，目前已完成設(shè)計以及所有相關(guān)的計算機(jī)建模和概念設(shè)計工作。現(xiàn)在他們開始建造試驗臺，用于模型驗證，并提供許可流程所需的數(shù)據(jù)。“劍橋團(tuán)隊已經(jīng)設(shè)計了試驗臺，他們正在組建團(tuán)隊，因為現(xiàn)在團(tuán)隊需要大規(guī)模擴(kuò)充。我們已經(jīng)在尋找試驗臺反應(yīng)堆的選址，但現(xiàn)在我們可以建造初始試驗臺來驗證模型，然后我們將不得不再次建造幾乎相同的試驗臺，但使用的是核材料，”沃克解釋說，并補(bǔ)充道：“我們希望在今年晚些時候的初步土地準(zhǔn)備工作中啟動這項工作并最終確定選址，我們計劃明年開始購買核材料，然后進(jìn)行核試驗，以生成獲得許可所需的最終數(shù)據(jù)。到那時，我們基本上已經(jīng)準(zhǔn)備好完成該流程來生產(chǎn)該商業(yè)產(chǎn)品。”

上圖：環(huán)形線性感應(yīng)泵 (ALIP) 技術(shù)是 ODIN 微反應(yīng)器的關(guān)鍵支持技術(shù)

一旦獲得授權(quán)，NANO 計劃立即進(jìn)入市場并開始向客戶群供貨。正如 Walker 所說：“大型礦業(yè)公司、軍隊和島國都對我們感興趣，因為他們正在尋找更清潔、成本不像柴油那么高的解決方案。”

應(yīng)對商業(yè)風(fēng)險

NANO 核能戰(zhàn)略的一個關(guān)鍵主題是解決商業(yè)風(fēng)險。沃克觀察到：“我認(rèn)為 NANO 很快就與競爭對手截然不同，因為當(dāng)我們試圖降低最終產(chǎn)品的風(fēng)險時，我們意識到由于相關(guān)供應(yīng)鏈的缺陷，美國在實際建造反應(yīng)堆方面存在巨大的能力差距。”沃克引用了一些依賴新型燃料開發(fā)才能運(yùn)行的反應(yīng)堆設(shè)計。這個和類似的問題促使 NANO 采取了不同的方法。“我們研究了這個問題，認(rèn)為‘這是實際開發(fā)反應(yīng)堆的主要障礙’，所以我們與能源部和國家實驗室討論了這個問題的解決方案。他們相當(dāng)肯定，如果我們要建造燃料制造設(shè)施，例如，它將是美國唯一的 Cat II 設(shè)施，它將降低我們項目的風(fēng)險，但它也會為我們開辟一條不同的業(yè)務(wù)線，一個新的機(jī)會。所以我們就是這么做的。”

通過與業(yè)內(nèi)專業(yè)人士和國家實驗室合作，NANO 找到了土地并組建了一支技術(shù)團(tuán)隊來設(shè)計燃料制造設(shè)施。在燃料制造方面，NANO 計劃購買濃縮鈾，然后將其制造成燃料組件。“目前，美國計劃為 HALEU TRISO 建造一座設(shè)施，但 HALEU [高含量低濃縮鈾] 市場的大部分不會是 TRISO，我們的反應(yīng)堆也不使用 TRISO，所以這件事必須由我們自己做。在我們開始這項工作時，可能會有機(jī)會與一些大公司合作，但我們很驚訝他們自己并沒有真正在這個領(lǐng)域發(fā)展。我們知道 HALEU 會發(fā)生，每個人都在圍繞它進(jìn)行設(shè)計，但它本質(zhì)上仍然是一個備受期待的行業(yè)。建造這些設(shè)施是一項重大承諾。雖然有大型核燃料企業(yè)，但我認(rèn)為他們中沒有多少人在建造微型反應(yīng)堆或小型模塊式反應(yīng)堆，因此他們不會通過自己構(gòu)建這些能力來降低自己最終產(chǎn)品的風(fēng)險。”

顯然，許多 SMR 和不同的反應(yīng)堆設(shè)計都在考慮 HALEU，這可能代表著一個市場，也是 NANO 的一個不同的收入來源。“這里的優(yōu)勢在于它正在重建美國的基礎(chǔ)設(shè)施，但它也為我們提供了一個收入來源，即使在微反應(yīng)堆部署之前就已經(jīng)上線了”，沃克說。

他辯稱，即使兩家公司的反應(yīng)堆最終都失敗了，這種方法也為持續(xù)盈利的運(yùn)營提供了一個模式。“如果有人能在我們之前贏得 SMR 微型反應(yīng)堆競賽，那就太好了，因為我們想要做的就是能夠為所有人提供燃料。燃料業(yè)務(wù)將獨(dú)立于 NANO 的反應(yīng)堆，但所有 SMR 公司、所有微型反應(yīng)堆，如果國防部、能源部、國家實驗室需要 HALEU，而他們肯定需要，他們需要制造它，這就是我們想要提供的。我們希望讓這項業(yè)務(wù)盡可能廣泛地惠及所有人。如果有人想出更好的反應(yīng)堆，他們這樣做其實很棒，因為它具有更大的商業(yè)潛力，如果它具有更大的商業(yè)潛力，而且他們正在制造更多這樣的東西，那么我們就有更多的燃料可以制造。”

這種多元化、垂直整合的商業(yè)模式也延伸到了運(yùn)輸領(lǐng)域。沃克解釋說，燃料制造業(yè)務(wù)的工作為 NANO 帶來了另一個機(jī)會：“我們還意識到，我們需要一種方法來運(yùn)輸商業(yè)數(shù)量的 HALEU 燃料。我們再次與能源部進(jìn)行了交談，我們發(fā)現(xiàn)該部門和國家實驗室曾資助過一項技術(shù)，但資金已經(jīng)停止。有一項技術(shù)只是擱置著，所以我們出去買了它，這讓我們在這場創(chuàng)造一種在全國范圍內(nèi)實際運(yùn)輸商業(yè)數(shù)量燃料的方法的競賽中處于領(lǐng)先地位。”

最初設(shè)計的技術(shù)是籃式運(yùn)輸二氧化鈾，但 NANO 正在對其進(jìn)行改造，使其也能運(yùn)輸六氟化鈾、氮化鈾、氫化鈾和鈾金屬等。“這里的想法是，它需要盡可能廣泛地在商業(yè)上推廣，并運(yùn)輸所有這些不同類型的燃料。所有經(jīng)過改裝的籃式運(yùn)輸系統(tǒng)都將進(jìn)入一個桶式系統(tǒng)，我們也將擁有該系統(tǒng)的知識產(chǎn)權(quán)，”沃克說，并補(bǔ)充道：“這樣我們就有了一個完整的運(yùn)輸技術(shù)系統(tǒng)。”

沃克再次展望了核運(yùn)輸服務(wù)的巨大市場，他說：“假設(shè)你有一家濃縮公司，他們生產(chǎn) HALEU。他們?nèi)绾螌饪s的 UF6 運(yùn)送到分解設(shè)施?他們?nèi)绾螌⑵鋸姆纸庠O(shè)施運(yùn)送到燃料制造廠?他們?nèi)绾螌⑵鋸娜剂现圃鞆S運(yùn)送到為反應(yīng)堆加油的客戶，或運(yùn)送到加油的部署地點?所有這些不同的要素都是運(yùn)輸業(yè)務(wù)要滿足的。”他補(bǔ)充道：“很多人都在談?wù)撨\(yùn)輸加滿燃料的反應(yīng)堆，然后將它們運(yùn)走并在需要時重新加油，但這并不意味著如果人們只是在制造廠為反應(yīng)堆加油并將其運(yùn)送到部署地點，業(yè)務(wù)就無法運(yùn)作。整個網(wǎng)絡(luò)仍然需要運(yùn)輸，因此我們希望嘗試將公司設(shè)在這些地區(qū)以提供該服務(wù)。”

降低燃料運(yùn)輸技術(shù)業(yè)務(wù)的風(fēng)險還涉及招募 UPS 前全球運(yùn)營總裁。正如沃克所解釋的那樣：“這里的挑戰(zhàn)是，雖然我們在技術(shù)方面相當(dāng)發(fā)達(dá)，但我很高興承認(rèn)我對經(jīng)營物流公司的實際業(yè)務(wù)一無所知。一旦你開始與他們交談，你就會意識到這樣的業(yè)務(wù)有多么復(fù)雜，因此我認(rèn)為引進(jìn)更專業(yè)的人是必不可少的。”

運(yùn)輸問題也影響了原廠納米反應(yīng)堆的設(shè)計，這也是降低商業(yè)風(fēng)險的又一舉措。在這個例子中，納米反應(yīng)堆將與燃料分開運(yùn)輸。沃克解釋了原因：“我們之所以不自己使用燃料反應(yīng)堆，是因為目前除非法規(guī)發(fā)生變化，否則不允許這樣做——你不能通過公路運(yùn)輸臨界配置的反應(yīng)堆。除非發(fā)生重大變化，否則法規(guī)不允許這樣做。這是一個很大的賭注，所以更明智的做法可能是繞過當(dāng)前法規(guī)，而不是希望它們對你有利。”

上圖：NANO 的先進(jìn)燃料運(yùn)輸系統(tǒng)旨在服務(wù)日益增長的 HALEU 燃料市場

商業(yè)化的后續(xù)步驟

沃克承認(rèn)，要獲得設(shè)計許可，還有許多工作要做。他說：“通常，處于這一階段的公司將進(jìn)行兩年的物理測試和演示工作，并可能根據(jù)實際反饋對設(shè)計進(jìn)行輕微修改。一旦完成，我們將進(jìn)入許可程序。當(dāng)我們完成許可程序時，大約是 2030 年。在獲得許可的同時，我們將建造我們的制造設(shè)施，看起來我們可能會在田納西州建造這些設(shè)施。我們已經(jīng)確定了制造業(yè)務(wù)的土地包，以及燃料制造設(shè)施和運(yùn)輸業(yè)務(wù)的選址。”

無論其微反應(yīng)堆設(shè)計的最終命運(yùn)如何，NANO 雄心勃勃地發(fā)展垂直整合核能初創(chuàng)公司的做法都是新穎的，沃克強(qiáng)調(diào)了這一點：“NANO 相當(dāng)快地實現(xiàn)了多元化，這就是我們真正與眾不同的地方。” 他還指出，NANO 的融資安排是它與小型反應(yīng)堆領(lǐng)域其他核能初創(chuàng)公司的另一個區(qū)別。 “我們意識到的另一件事是，如果我們合理構(gòu)建公司結(jié)構(gòu)，如果我們盡早上市并且規(guī)模很小，我們就可以與公眾一起成長，避免公司上市時估值很高，而如果估值下降，就很難籌集更多資金的問題。通過這種方式構(gòu)建公司結(jié)構(gòu)，這為我們提供了未來的融資途徑，因此我們可以不斷增加資金，因為成本將隨著我們的發(fā)展而線性增加。這為我們提供了一種保持資金持續(xù)的機(jī)制。我們之所以與眾不同，是因為很多項目都嚴(yán)重依賴政府資金和補(bǔ)助，而這對于長期發(fā)展來說并不是一個好策略，因為你不知道政府什么時候會來，你不知道你是否會贏，如果你贏不了，你就陷入困境了。”

另一個關(guān)鍵區(qū)別是，NANO 的商業(yè)模式是能源服務(wù)，而不是反應(yīng)堆供應(yīng)。盡管如此，最初的客戶很可能來自工業(yè)界，因此將專注于工藝熱而不是電力。兩種設(shè)計都可以選擇包括渦輪機(jī)，并在熱能和電力輸出之間切換。

ZEUS 在高溫下運(yùn)行，功率約為 5 MWth 和 1.5 MWe，因此非常適合生產(chǎn)過程或工業(yè)供熱。而 ODIN 的運(yùn)行溫度要低得多，因此鹽降解和熱應(yīng)力更少，并且可以使用更多現(xiàn)成的組件。ODIN 的功率約為 4 MWth 和 1 MWe。

沃克說：“我們最初的意圖是同時追求這兩種技術(shù)，因為這樣可以降低最終成功的風(fēng)險，但最終它們實際上迎合了幾乎不同的領(lǐng)域，而且非常互補(bǔ)。你可以看到，在工業(yè)運(yùn)營中，你可以部署這兩種技術(shù)來滿足不同的需求，所以我們目前仍在追求這兩種技術(shù)，除非有任何重大的技術(shù)干預(yù)，否則我們會一直這樣做，直到達(dá)到一定程度，也許我們會一直讓這兩種技術(shù)獲得許可。

他指出，ODIN 設(shè)計可能會更早獲得許可，因為它使用的是現(xiàn)成的組件，但 ZEUS 預(yù)計會緊隨其后。兩種設(shè)計的時間框架大致相同，目標(biāo)是在 2030 年左右投入商業(yè)運(yùn)營。“ZUES 可能晚一年上線，但差別并不大，因為它們大約同時開始，許可期限也相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)。NRC 估計，微反應(yīng)堆設(shè)計的許可大約需要 40 個月，他們可能會修改法規(guī)或引入更適合微反應(yīng)堆設(shè)計的流程。然而，NRC 引入這樣的修正案可能需要數(shù)年時間。在目前允許的范圍內(nèi)謹(jǐn)慎行事總是比在可能范圍內(nèi)謹(jǐn)慎行事更安全，”沃克說。

展望未來，沃克認(rèn)為，這兩種反應(yīng)堆可能會有不同的部署方式，例如偏遠(yuǎn)工業(yè)、太空或使用 ZEUS 的高熱應(yīng)用，而對于需要穩(wěn)定電力的島嶼社區(qū)或軍事基地，ODIN 反應(yīng)堆更有意義。沃克總結(jié)道：“ODIN 反應(yīng)堆可能是更廣泛的商業(yè)開發(fā)和部署產(chǎn)品，而 ZUES 則更針對更具體的領(lǐng)域，它更適合這種領(lǐng)域。”無論 NANO 反應(yīng)堆設(shè)計是否具有商業(yè)前景，沃克都相信該公司無論如何都會取得成功。