能源模块——细节设计
核能：小型核电站
原料来源
目前的压水堆主要以富集铀组成，是铀氧化物，富集U235的质量分数粗略估计在3.5%-5%之间（不同作用的燃料会有不同分数）。我们假设如下：
富集U235的质量分数为4%
不含Gd等可燃毒素和其他核素（如参杂的U234等）
裂变只由U235完成（实际反应中还会有少量U238参与快中子裂变、高燃耗时Pu239也占据极大比例）
同时，对实际应用情况进行简化，我们有以下条件：
1g的二氧化铀燃料中，大概有35mg U235，1g U235含1/235 mol的U235原子。
在数量级上的估计，一个U235原子的裂变释放的能量约为200MeV，也就是3.2×10-11J。
已知目前压水堆的转换效率大概在33%左右（即堆芯反应释放1J的能量中，大约有0.33J用于发电供给）
那么，根据以上假设和条件，1kg的二氧化铀（4%）完全燃烧殆尽能发多少电？
(1000/235)×6.02×1023×3.2×10-11×0.33×0.04 = 3×105kWh
为满足线性空间100年核电生产的需求，我们需要携带足量的原料。人均能耗为2×104kWh/年，包括接受自“藻八组“的移民，线性空间生活着约1000人。每年所需能耗总量为2×107kWh，其中核能占比约为55%，即1.1×107kWh。
每年消耗的二氧化铀质量为36.67kg，100年总需约3700kg。又有氧化铀密度为7.29×103kg/m3。也就是说，1m3的原料足以满足核电生产所需。
存储问题
核电站用核燃料一般是二氧化铀。二氧化铀熔点高达2840±40℃，从室温到熔点无相变；热稳定性和辐照稳定性好，在高温水中化学稳定性好、耐腐蚀性好，即使燃料包壳发生泄露，也几乎不会与水发生反应；与包壳材料的相容性好，不会与包壳发生反应。从综合性能看陶瓷UO2的性能要优于金属铀，故陶瓷UO2是压水型动力堆中应用最广泛的燃料。
乏燃料问题
核燃料和核废料之间还有个中间产品，叫做乏燃料。核电站中，当核燃料维持不了一定的功率时，需要更换，这些被换下来的核燃料组件就叫做乏燃料。因为乏燃料中存在可以回收利用的部分，所以我们需要将其提炼出来，以尽可能地利用携带的铀资源。
干法后处理技术不使用水作为溶剂,其主要的分离步骤在高温下进行。流程具有耐辐照、低临界风险、放射性废物少等优点,适宜处理高燃耗、短冷却期乏燃料。
这里采用的是熔盐电精制技术,其原理示意图如右图2.
电精制过程在500℃和Ar气保护下进行。在电解池的底部注入液态Cd,上部以LiCl+KCl混合物作为电解熔盐介质。将切割后的乏燃料装在阳极吊篮中,以不锈钢作为固体阴极,液态Cd作为液体阴极,浸没到熔盐中进行电解。在电精制过程中,阳极的金属乏燃料熔解,乏燃料中的U,TRU、稀土元素、其他裂变产物等得以分离。 最终在固体阴极上得到U,液体阴极池中得到U,TRU和少量稀土的混合物,乏燃料中的其他裂变产物(主要是碱金属和碱土金属)与U,Pu分开,在电解池中的熔盐和液态Cd中进行分配。
核废料问题
乏燃料是用过的“核燃料”。其经过处理的分离和再加工部分物质还有用，例如铀钚能作为下一批的燃料，或钚作为核武器，或者生产一些有价值的同位素。核废料是核电厂产生的有放射性的废物。不只是燃料产生，其他例如活化的冷却剂，钢等，最终都可能是核废料。
对于核废料的处理，我们采取的是深度隔离技术。通过深度钻孔将作废的核燃料棒包裹在密封的钢结构中，而后埋入地下两三公里深的地方。
参考资料
刘华.国外乏燃料后处理概况[J\].化学工程与装备,2012(11):122-126.
廖映华,云虹,王春.乏燃料后处理技术研究现状[J\].四川化工,2012,15(04):12-15.
刘学刚.乏燃料干法后处理技术研究进展[J\].核化学与放射化学,2009,31(S1):35-44.
太阳能
在线性空间中，太阳能占能源生产的20%，发电量应为400WkWh/y。线性空间采取光伏发电，以铺设太阳能板为主要的太阳能发电措施。根据NREL在2022年发表的文章，目前世界上在1太阳光照下转化效率的太阳能板转化效率为39.5%，为一般单晶太阳能板（19.5%）的2倍。1m2的一般单晶太阳能板的功率为150-170W，临高县PVOUT值为1279.7kWh/kWp，由此估算得所需太阳能板面积为10419m2。这些太阳能板会被设置在线性空间中的多个区域，比如居民楼顶层、农业区、广场等空旷地带。
农光互补
在光伏电站设计、建设、运营过程中，预留给农业种植、养殖所必需的空间，确保在光伏电站正常发电的同时，满足植物、动物的生理需求，达到农光互补的效果和效益，实现生态农业、循环农业技术模式集成与创新，为农业可持续发展提供有力的技术支撑。
“光伏+农业”不仅解决了取水灌溉机械动力所需要的供电问题，避免了光伏产业和农业争地情况，还可以将多出来的电用于其他区域的供给。
发电地砖
英国公司Pavegen研发设计的地砖，内部有着特殊的结构，可以铺装在室内或者室外的人行道上。当有人从它的上面走过时，电池感应发电机上下运动，从而产生离网电力。
储能砖
研究人员利用砖的多孔结构，通过使用气相沉积技术为红砖添加一层名为 PEDOT 的导电聚合物，从而把红砖变成一个储能电极。充电后的储能砖可以作为超级电容器像传统电池一样储存电能，并随时为其他装置供电，由储能砖砌成的墙可以储存大量电能。
参考资料
News Release: NREL Creates Highest Efficiency 1-Sun Solar Cell | News | NREL
风力发电及海水淡化一体化平台
我们的主题是负责任的生产，且我们的世界在海边，易受台风影响，使用风力发电及海水淡化一体化平台既可以充分利用自然资源，提高清洁能源使用效率，解决居民的现实问题，又能够增强抗台风能力。这使得该平台具有非常合理和可行的优势。
为了提高风力发电及海水淡化一体化平台的安全性，风机被设计为自动升降式。当台风来袭时，风机的叶片可以收起，降低风机的高度，增强平台抵抗台风的能力。同时，该平台利用波浪能和太阳能作为辅助能源，在日常运营过程中实现全自动化。这个平台充分利用南海现有的自然资源，不仅提高了清洁能源的使用效率，还能解决居民的实际问题。
以三浮体平台为原型，进行了设计改造，确定了平台的主要尺度和基本参数，同时划分和布置了平台的舱室，选取了合适的风机，得到了符合风力发电及海水淡化要求的一体化平台。该平台采用可升降式塔架设计，最终形成可升降三浮体式一体化平台。平台选用30kW风机，共有三个，分别位于三个浮体的上方，塔架高度为12.0m，平台高度为8.0m，平台宽度为20m。该平台主要由三浮体式平台、可升降式塔架和工作舱室组成。工作舱室包括海水淡化舱、变电设备舱、柴油动力舱、净水存储舱、泵机舱、蓄电池舱和塔架舱。另外，太阳能电池板也被安装在一体化平台上。平台的布置方式可参考图1、2。
一体化平台的优点及工作原理如下：
三浮体式一体化平台排水量小且水动力性能好；
在极端海况下，为了保证平台和塔架的安全，塔架可以通过滑道在三浮体的舱室内下降到最低高度；
在极端海况下，自动绳索系统可以固定风机叶片，确保其安全性。
参考资料
