美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)我國(guó)反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)展的啟示

文彥　盧川　劉文興

【摘 要】本文梳理了美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展歷程及其在核反應(yīng)堆領(lǐng)域的科研工作，包括發(fā)現(xiàn)氙-135、钚-240等重要核素，提出重水堆、增殖堆、球床式高溫氣冷堆、壓水堆等概念，完成“鸚鵡螺”號(hào)核潛艇反應(yīng)堆方案設(shè)計(jì)等?；仡櫫似?2座研究堆，包括溶液堆、熔鹽堆、脈沖堆和水冷堆等，以及在飛機(jī)核動(dòng)力、增殖堆核電站、移動(dòng)式反應(yīng)堆、核商船和核能海水淡化等領(lǐng)域推廣應(yīng)用核能與核動(dòng)力技術(shù)的嘗試。通過(guò)上述研究，可為我國(guó)核能與核動(dòng)力技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室;研究;啟示

中圖分類號(hào)： G649.712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）32-0098-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.043

0 概述

橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱ORNL）是美國(guó)能源部所屬的大型國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，成立于1943年。研究領(lǐng)域涉及中子科學(xué)、能源科學(xué)、化學(xué)與放射化學(xué)等。

建立70余年以來(lái)，ORNL在核能技術(shù)領(lǐng)域作出了歷史性的貢獻(xiàn)，特別是早期發(fā)展階段，在核反應(yīng)堆技術(shù)領(lǐng)域開展過(guò)大量探索性、開創(chuàng)性研究，為核能技術(shù)可持續(xù)發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

本文簡(jiǎn)要回顧和研究了ORNL的發(fā)展歷程及其在核反應(yīng)堆技術(shù)領(lǐng)域的科研工作，對(duì)我國(guó)核能技術(shù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有借鑒意義。

1 ORNL的創(chuàng)立

1941年12月，美國(guó)正式啟動(dòng)原子彈研制計(jì)劃，在芝加哥大學(xué)匯集原子彈之父奧本海默、氫彈之父愛(ài)德華.泰勒等優(yōu)秀科學(xué)家，成立冶金實(shí)驗(yàn)室開展鏈?zhǔn)椒磻?yīng)基礎(chǔ)研究。后冶金實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家牽頭分別在田納西州橡樹嶺地區(qū)建立克林頓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行原子彈原料生產(chǎn)，在新墨西哥州建立洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室從事核武器研制，并將芝加哥大學(xué)的世界首座石墨反應(yīng)堆遷往附近阿貢地區(qū)，成立阿貢實(shí)驗(yàn)室從事反應(yīng)堆相關(guān)研究。

圖1 橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)展脈絡(luò)

克林頓實(shí)驗(yàn)室逐漸擴(kuò)建形成大型綜合性核能實(shí)驗(yàn)室，1947年被美國(guó)原子能委員會(huì)命名為橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（見圖1）。

2 早年科學(xué)活動(dòng)與主要成果[1]

2.1 漢福特反應(yīng)堆冷卻劑選擇與氙-135的發(fā)現(xiàn)

冶金實(shí)驗(yàn)室成立后開展了用于原子彈材料钚-239生產(chǎn)的天然鈾石墨慢化钚生產(chǎn)堆設(shè)計(jì)，提出過(guò)氦氣、液態(tài)鉍和輕水3種堆芯冷卻劑，后因氦氣循環(huán)壓縮機(jī)研制難度太高，液態(tài)鉍實(shí)際操作難度大的原因，經(jīng)過(guò)科學(xué)家們激烈爭(zhēng)論，最終選取了輕水冷卻方案。

1944年，美國(guó)在華盛頓漢福特地區(qū)建成钚生產(chǎn)堆。在運(yùn)行初期出現(xiàn)意外的自動(dòng)停堆現(xiàn)象，費(fèi)米等科學(xué)家通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)一種堆芯裂變產(chǎn)物氙-135，它因中子吸收截面很大，會(huì)導(dǎo)致堆芯有效增殖系數(shù)明顯降低而被稱為“毒物”。該發(fā)現(xiàn)為后來(lái)的核反應(yīng)堆物理學(xué)發(fā)展奠定了重要理論基礎(chǔ)。

2.2 重水慢化堆概念提出

1942年，冶金實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)采用重水做慢化劑比石墨高出10%左右的堆芯中子增殖系數(shù)，因此從1943年起開展重水慢化反應(yīng)堆研究，分別提出了采用重水和燃料棒組合的非均勻柵格重水堆、采用鈾的重水溶液或懸浮溶液的均勻重水溶液堆兩種概念方案。為阿貢實(shí)驗(yàn)室建造“芝加哥3號(hào)”重水堆及后來(lái)世界建造的多座重水堆核電廠奠定了重要理論基礎(chǔ)。

2.3 X-10反應(yīng)堆與反應(yīng)堆溫度系數(shù)測(cè)量

為給漢福特反應(yīng)堆提供技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)在克林頓實(shí)驗(yàn)室先建造了X-10钚生產(chǎn)原型堆，并于1943年11月實(shí)現(xiàn)臨界。它采用與漢福特反應(yīng)堆不同的高速空氣作冷卻劑，是人類歷史上第2座鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆，也是世界首座產(chǎn)生顯著熱量的反應(yīng)堆。后來(lái)在該堆上準(zhǔn)確測(cè)量出了反應(yīng)堆溫度系數(shù)，為反應(yīng)堆技術(shù)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

2.4 钚-240的發(fā)現(xiàn)

1944年，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室在對(duì)钚開展研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，钚-239吸收一個(gè)中子后，約有30%的概率轉(zhuǎn)化為钚-240，且钚元素在反應(yīng)堆內(nèi)滯留時(shí)間越長(zhǎng)，生成的钚-240越多。由于钚-240會(huì)自發(fā)裂變?cè)佼a(chǎn)生中子，它將導(dǎo)致原子彈被提前引爆。該發(fā)現(xiàn)促使洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室將原來(lái)的“槍型”原子彈改進(jìn)為“內(nèi)爆式”原子彈，促進(jìn)了原子彈技術(shù)的發(fā)展。

2.5 增殖反應(yīng)堆概念提出

1944-1945年間，克林頓實(shí)驗(yàn)室通過(guò)大量理論研究首次提出增殖反應(yīng)堆概念，進(jìn)而首次提出快中子增殖堆和中能中子增殖堆設(shè)計(jì)方案，這為后來(lái)快堆及增殖堆技術(shù)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

2.6 核擴(kuò)散問(wèn)題與核廢料問(wèn)題提出

在增殖堆概念提出的基礎(chǔ)上，費(fèi)米提出核武器原材料钚向恐怖組織擴(kuò)散的問(wèn)題，以及反應(yīng)堆放射性物質(zhì)處置問(wèn)題，即后來(lái)引起世界廣泛關(guān)注的核擴(kuò)散和核廢料問(wèn)題。至今，這兩個(gè)問(wèn)題仍是影響核能可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2.7 高溫氣冷堆概念提出

基于“曼哈頓”計(jì)劃中炸藥化學(xué)制造等技術(shù)基礎(chǔ)，克林頓實(shí)驗(yàn)室將用于固定空氣中氮?dú)獾姆椒ㄍ茝V為球床反應(yīng)堆的概念，將氣體（如氦氣）用作冷卻劑，流過(guò)鈾的氧化物或碳化物球床，該概念的提出為后來(lái)球床式高溫氣冷堆技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

2.8 壓水堆概念提出

1944年前后，克林頓實(shí)驗(yàn)室測(cè)得天然鈾柵格在空氣中優(yōu)化排列后增殖系數(shù)最大僅為0.2，該研究首次試驗(yàn)證明天然鈾不可能發(fā)生原子彈爆炸，也證明天然鈾具有一定的快中子裂變截面，通過(guò)與輕水組合可能產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這一重要結(jié)論極大地推動(dòng)了輕水反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)展，后進(jìn)一步在X-10反應(yīng)堆熱中子源區(qū)域開展了輕水柵格組合實(shí)驗(yàn)，證明采用輕水可使天然鈾（或低濃縮鈾）堆芯中子增殖系數(shù)接近1。

1944年9月，克林頓實(shí)驗(yàn)室提出采用輕水作慢化劑與冷卻劑的壓水堆概念，為后來(lái)全世界推廣應(yīng)用壓水堆核電站和艦艇反應(yīng)堆技術(shù)奠定了重要理論基礎(chǔ)。

2.9 橡樹嶺核技術(shù)學(xué)校創(chuàng)建

1946年，克林頓實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建了反應(yīng)堆培訓(xùn)學(xué)校為工業(yè)界和美國(guó)海軍培養(yǎng)核工程人才，其中就包括后來(lái)的美國(guó)“核潛艇之父”里科弗、西屋公司和碳素公司領(lǐng)導(dǎo)人等。該校于1950年正式命名為橡樹嶺核技術(shù)學(xué)校，曾編寫教材《反應(yīng)堆理論綱要》并被我國(guó)高校初創(chuàng)核反應(yīng)堆專業(yè)時(shí)廣泛采用[2]。

2.10 “鸚鵡螺”號(hào)核潛艇反應(yīng)堆概念方案

1947年“冷戰(zhàn)”開始后，里科弗領(lǐng)銜啟動(dòng)研發(fā)核動(dòng)力潛艇。初期產(chǎn)生了通用電氣液態(tài)鈉冷堆和ORNL壓水堆技術(shù)之爭(zhēng)，考慮壓水堆系統(tǒng)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)熱效率低的不足，“鸚鵡螺”號(hào)最終采用壓水堆方案，并在ORNL完成核動(dòng)力裝置布置草圖設(shè)計(jì)，后研制任務(wù)被分派到阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

在此期間，ORNL首次驗(yàn)證了鋯在高溫高壓水中的良好耐腐蝕性，為后來(lái)壓水堆廣泛采用鋯合金作燃料包殼奠定了重要基礎(chǔ)。另外，ORNL還提出壓水堆密封轉(zhuǎn)子水泵設(shè)計(jì)方案，為后來(lái)屏蔽泵研發(fā)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 多堆全面開花

1950-1965年間ORNL建造運(yùn)行了溶液堆、熔鹽堆、脈沖堆和水冷堆4型共12座研究堆。

在其中的低強(qiáng)度試驗(yàn)堆內(nèi)首次證明堆芯水慢化劑高速流動(dòng)不會(huì)影響中子平衡反應(yīng)這一結(jié)論;首次發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆內(nèi)切倫科夫輻射光;開展實(shí)驗(yàn)證明了沸水堆的可行性，為后來(lái)沸水堆研發(fā)建造提供了重要支撐。

此外，1950年運(yùn)行的一體化屏蔽實(shí)驗(yàn)堆是世界首座游泳池反應(yīng)堆，被推廣到全世界，先后建造100余座。1958年運(yùn)行的橡樹嶺研究堆成功運(yùn)行了30年，是美國(guó)早期最強(qiáng)的中子源，在中子衍射與同位素生產(chǎn)領(lǐng)域長(zhǎng)期領(lǐng)先。

4 核能技術(shù)推廣應(yīng)用[1]

4.1 飛機(jī)核動(dòng)力

20世紀(jì)40年代后期，美國(guó)空軍曾提出核動(dòng)力飛機(jī)研制計(jì)劃。提出了采用含鈾熔融氟化物作堆芯燃料的熔鹽堆概念，并成功建造了飛機(jī)反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)裝置（ARE），該熔鹽堆在2.5MW功率下成功運(yùn)行了100小時(shí)。后進(jìn)一步建造了兩座懸空反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)研究飛機(jī)核動(dòng)力的屏蔽特性。

飛機(jī)核動(dòng)力在1959年美國(guó)洲際彈道導(dǎo)彈研制成功后戰(zhàn)略需求大幅降低，一年后計(jì)劃終止。

4.2 增殖堆核電站

20世紀(jì)50年代，ORNL先后設(shè)計(jì)并建造了兩座溶液堆（HRE和HRT）和一座高功率熔鹽堆（MSRE）。兩座溶液堆先后出現(xiàn)溶液輻照產(chǎn)氣、功率振蕩、溶液泄露和等問(wèn)題，很快被關(guān)閉。熔鹽堆則自1965年起正常運(yùn)行了4年，期間成功采用釷作燃料運(yùn)行了1年時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了鈾-233燃料的增殖。當(dāng)時(shí)壓水堆技術(shù)已獲得較大成功，快堆增殖技術(shù)也已占據(jù)主導(dǎo)，因此熔鹽堆技術(shù)也未得到進(jìn)一步發(fā)展。

4.3 陸軍移動(dòng)式反應(yīng)堆

上世紀(jì)50年代，在美國(guó)海軍和空軍分別發(fā)展核潛艇和核動(dòng)力飛機(jī)時(shí)，美國(guó)陸軍也啟動(dòng)了移動(dòng)式反應(yīng)堆電源（SM-1）項(xiàng)目。由ORNL負(fù)責(zé)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。首座移動(dòng)式反應(yīng)堆1957年在華盛頓附近的貝爾沃堡建成，采用高濃鈾燃料壓水堆，可對(duì)偏遠(yuǎn)區(qū)域供熱、供電，該堆運(yùn)行了10年。美國(guó)后來(lái)又在格陵蘭、南極和北極等地區(qū)建造了8座該型反應(yīng)堆。但由于維護(hù)、經(jīng)費(fèi)等原因陸續(xù)全部退役。

4.4 核商船

核潛艇取得成功后，ORNL協(xié)助巴威公司建造了世界首艘核商船“薩瓦納”號(hào)，將核動(dòng)力技術(shù)推廣到民用船舶領(lǐng)域。它采用1座69MWt壓水堆，運(yùn)行8年時(shí)間后因經(jīng)濟(jì)性差提前退役。

4.5 核能海水淡化與工業(yè)利用

20世紀(jì)60年代始，隨著核電廠大量建造，ORNL又開展了核能用于海水淡化和工業(yè)工藝的研究。提出美國(guó)及中東地區(qū)核能海水淡化、利用核能開展化工產(chǎn)品制備、礦石提煉、金屬制造等設(shè)想和方案。后因經(jīng)濟(jì)性差均未發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要回顧了20世紀(jì)40-70年代美國(guó)ORNL在核能技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展歷程，從中可感受到科學(xué)家在核科學(xué)和工程領(lǐng)域的積極探索、大膽創(chuàng)新精神，其研究成果為世界核能事業(yè)發(fā)展做出了歷史性貢獻(xiàn)。

21世紀(jì)的今天，我國(guó)核能與核動(dòng)力發(fā)展也迎來(lái)新的機(jī)遇，消化吸收以往核反應(yīng)堆科學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，將為我國(guó)核能事業(yè)的開創(chuàng)發(fā)展提供有助推力量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]艾爾文.溫伯格.第一核紀(jì)元[M].呂應(yīng)中譯.北京：原子能出版社.1996.

[2]賈斗南.回憶核科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的創(chuàng)建和發(fā)展歷程[OL].2016.