核“能量球”可能會使熔毀成為歷史

編譯 星野

Triso粒子是一種看上去很陌生的燃料，具有內(nèi)在的安全特性，將為新一代高溫反應(yīng)堆提供動(dòng)力。

所有核電站的基本理念都是一樣的：將核裂變產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電能。有幾種方法可以做到這一點(diǎn)，但在每一種情況下，它都涉及安全與效率之間微妙的平衡。核反應(yīng)堆在堆芯很熱的時(shí)候工作得最好，但是如果它過熱就會導(dǎo)致熔毀，使環(huán)境受到污染，人們可能會死亡，而且需要數(shù)十億美元來清理這個(gè)爛攤子。

上一次發(fā)生這種情況是在不到10年前，當(dāng)時(shí)日本福島第一核電站發(fā)生了一次大地震，隨后發(fā)生了一系列海嘯。但未來幾年即將上線的新一代反應(yīng)堆的目標(biāo)是讓這類災(zāi)難成為過去。這些反應(yīng)堆不僅比現(xiàn)在的核電站更小，效率更高，而且它們的設(shè)計(jì)者聲稱它們實(shí)際上可以防熔毀。他們的秘訣是什么？被數(shù)百萬個(gè)亞毫米大小的鈾外殼包裹。它叫作Triso燃料，就像一個(gè)具有放射性的大塊圓硬糖。

Triso是“三結(jié)構(gòu)各向同性”（tristructural isotropic）燃料的簡稱，它由低濃縮鈾和氧的混合物制成，周圍有三層石墨和一種叫作碳化硅的陶瓷層。每個(gè)粒子都比罌粟籽小，但它的層狀外殼可以保護(hù)里面的鈾，即使在反應(yīng)堆中最極端的條件下也不會熔化。

保羅?德姆科維茨（Paul Demkowicz）是愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室（INL）先進(jìn)氣體反應(yīng)堆領(lǐng)域開發(fā)和鑒定項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，他的大部分工作是模擬下一代核反應(yīng)堆的最壞情況。在過去的幾年里，德姆科維茨和他的同事們一直在對Triso燃料進(jìn)行鑒定測試，包括將它們放入反應(yīng)堆中并打破溫度限制。如今，大多數(shù)核反應(yīng)堆的運(yùn)行溫度都遠(yuǎn)低于1 000華氏度，甚至下一代高溫反應(yīng)堆的最高溫度也將在2 000華氏度左右。但在INL試驗(yàn)中，德姆科維茨證明Triso能夠承受超過3 200華氏度的反應(yīng)堆溫度。在長達(dá)兩周的測試中，30萬個(gè)粒子中沒有一個(gè)Triso涂層失敗。

德姆科維茨說：“在新的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，基本上不可能超過這些溫度，因?yàn)榉磻?yīng)堆在達(dá)到這些高溫時(shí)會關(guān)閉。因此，如果你把這些反應(yīng)堆設(shè)計(jì)與一種能應(yīng)付熱量的燃料結(jié)合起來，你基本上就有了一個(gè)防事故的反應(yīng)堆?！?/p>

在常規(guī)核反應(yīng)堆中，防止熔毀的主要防線是燃料控制棒，電廠操作員用它來控制堆芯的裂變率。如果溫度變得過高，它們會將更多的燃料棒推入核心，這樣裂變率和溫度就會下降。世界上每一個(gè)運(yùn)行中的核反應(yīng)堆都被安置在一個(gè)巨大的安全殼結(jié)構(gòu)中，以防止發(fā)生故障時(shí)放射性物質(zhì)逸出。

但是對于Triso燃料，這些安全特性是多余的，因?yàn)槊總€(gè)粒子都被有效地包裹在控制棒中。這為小型反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)打開了大門，這在以前是不可能的?！艾F(xiàn)在你不必耗資數(shù)億美元去建造反應(yīng)堆的大型安全殼，因?yàn)檫@種燃料本身就帶有安全殼，”生產(chǎn)Triso燃料和核反應(yīng)堆的BWXT公司核操作小組主席喬爾?杜林（Joel Duling）說，“這樣你就可以有一個(gè)能裝在貨柜里的反應(yīng)堆，而且仍然具有傳統(tǒng)商業(yè)反應(yīng)堆的所有安全特性?！?/p>

Triso燃料從20世紀(jì)60年代就開始使用了，但是它的制造成本很高，而且沒有足夠的能量密度來滿足世界上大多數(shù)核電站中都具有的巨型輕水反應(yīng)堆的需求。然而，一旦美國能源部在2015年啟動(dòng)了“核項(xiàng)目加速創(chuàng)新門戶”（Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear program），開始支持開發(fā)小型高溫反應(yīng)堆的企業(yè)，Triso燃料的時(shí)代似乎已經(jīng)到來。但只剩下一個(gè)問題：沒有人生產(chǎn)它。

自20世紀(jì)80年代中期以來，受鈾價(jià)格和需求下降的刺激，美國的核燃料生產(chǎn)能力一直處于自由落體狀態(tài)。但在2003年，BWXT與能源部合作生產(chǎn)用于測試的Triso燃料，并證明如果需求增加，它可以大規(guī)模生產(chǎn)這種燃料。當(dāng)時(shí)，布什總統(tǒng)正在推動(dòng)美國即將到來的“核復(fù)興”，但這一宣布結(jié)果為時(shí)過早。再經(jīng)過15年，美國聯(lián)邦政府向一批核能初創(chuàng)企業(yè)注入了數(shù)億美元的資金，復(fù)興才開始實(shí)現(xiàn)。直到2019年10月，BWXT才宣布重啟Triso生產(chǎn)線，為未來幾年將上線的下一代高溫核反應(yīng)堆提供燃料。

“在不久的將來，我們會看到對新反應(yīng)堆的大量需求，”杜林說，“到20世紀(jì)20年代末30年代初，Triso將成為主流的燃料類型?！?/p>

BWXT是美國僅有的兩家開發(fā)用于商業(yè)生產(chǎn)的Triso燃料的公司之一，它還向美國政府提供用于其實(shí)驗(yàn)性3D打印核反應(yīng)堆的Triso燃料。另一家公司，總部位于馬里蘭州的X-energy，在核能業(yè)務(wù)上相對較新，但自2019年年初以來，一直在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營一個(gè)試驗(yàn)性Triso生產(chǎn)設(shè)施。

將未加工鈾轉(zhuǎn)化為Triso是一個(gè)多步驟的過程，首先將開采的鈾礦石或從武器級材料中提取的鈾與化學(xué)物質(zhì)混合，使其變成凝膠狀的珠子。這些珠子，每個(gè)直徑只有1毫米，稠度相當(dāng)于軟心豆粒糖，然后將其放入一個(gè)熔爐中，爐內(nèi)注入氣體，在鈾核周圍沉積一層薄薄的石墨和碳化硅。其結(jié)果是大量不可摧毀的Triso燃料顆粒被壓成圓柱形或球形燃料丸。

BWXT制造的燃料丸更為傳統(tǒng)——是一個(gè)子彈大小的小圓柱體，而X-energy公司將其Triso燃料注入一個(gè)彈球大小的閃亮銀色球體中。X-energy首席執(zhí)行官、前美國能源部副部長克萊?塞爾（Clay Sell）喜歡稱它們?yōu)椤澳芰壳颉?，并表示它們將用于為該公司的新反?yīng)堆Xe-100提供燃料。

Xe-100是一個(gè)小型的球形燃料反應(yīng)堆，其設(shè)計(jì)功率僅為75兆瓦。（為了進(jìn)行比較，目前美國運(yùn)行中最小的核反應(yīng)堆的發(fā)電量約為600兆瓦。）X-energy公司負(fù)責(zé)燃料生產(chǎn)的副總裁皮特?帕帕諾（Pete Pappano）將其比作一臺口香糖機(jī)。“能量球穿過核心，從底部出來，然后回到頂部?！迸僚林Z說。Triso球需要大約半年的時(shí)間來完成反應(yīng)堆內(nèi)部的循環(huán)。在需要更換之前，它可以穿過核心6次。

還有其他好處。塞爾認(rèn)為，未來使用Triso燃料的核電站不需要在反應(yīng)堆周圍留出數(shù)英里的空地，而是可以靠近用戶?！霸谖锢砩?，Triso在反應(yīng)堆中熔化是不可能的，它違反物理定律，”賽爾說，“當(dāng)你從一個(gè)不能熔化的反應(yīng)堆開始，你的安全狀況就完全改變了?！边@就是為什么國防部今年與X-energy和BWXT簽署了一項(xiàng)協(xié)議，為偏遠(yuǎn)的軍事基地開發(fā)一個(gè)小型移動(dòng)核反應(yīng)堆，也是美國宇航局考慮將Triso燃料用于核動(dòng)力航天器的原因。

與其他所有先進(jìn)商業(yè)核反應(yīng)堆一樣，Xe-100目前正在接受核管理委員會的審查。帕帕諾說，這是一個(gè)漫長而艱巨的過程，但如果監(jiān)管機(jī)構(gòu)予以批準(zhǔn)，X-energy公司準(zhǔn)備在這個(gè)十年末之前對反應(yīng)堆進(jìn)行全面的演示。與此同時(shí)，X-energy公司和BWXT公司都在致力于擴(kuò)大他們的Triso生產(chǎn)設(shè)施，這樣當(dāng)下一代核反應(yīng)堆出現(xiàn)時(shí)，他們將擁有使熔毀成為歷史的燃料。

資料來源 Wired