美國(guó)要搞核動(dòng)力“充電寶”

朱江明

尼米茲級(jí)艾森豪威爾號(hào)核動(dòng)力航空母艦

近日，美國(guó)媒體稱，國(guó)防部長(zhǎng)辦公室 （OSD） 已為一個(gè)名為貝利（Pele）的科研項(xiàng)目申請(qǐng)了6000萬(wàn)美元，該項(xiàng)目旨在開發(fā)一種新型可移動(dòng)核反應(yīng)堆，為美國(guó)國(guó)防部 （DOD） 各種任務(wù)提供高輸出的電力支持，并且能夠進(jìn)行更機(jī)動(dòng)的彈性部署。這個(gè)可以被視為大號(hào)核動(dòng)力“充電寶”的東西，到底是美國(guó)國(guó)防部異想天開的搞笑發(fā)明，還是確實(shí)有可能成為現(xiàn)實(shí)的未來(lái)黑科技呢？

現(xiàn)在要解答這個(gè)項(xiàng)目到底能否實(shí)現(xiàn)恐怕還為時(shí)過(guò)早。根據(jù)美國(guó)國(guó)防部公布的文件，當(dāng)前階段的6000萬(wàn)美元預(yù)算主要用于研發(fā)一種名為三結(jié)構(gòu)同位素 （TRISO）的核燃料。在現(xiàn)階段的研發(fā)中，并不會(huì)制造這一移動(dòng)核反應(yīng)堆的樣機(jī)。也就是說(shuō)，根據(jù)預(yù)算來(lái)看，2022年結(jié)束前，我們都看不到這個(gè)核動(dòng)力“充電寶”的實(shí)物。

然而，縱觀整個(gè)項(xiàng)目，最有技術(shù)含量的其實(shí)就是新型核燃料。因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目要求產(chǎn)品能夠機(jī)動(dòng)部署，并且只需要一輛載重卡車就能拉著核反應(yīng)堆“滿街跑”。這個(gè)反應(yīng)堆必須能夠塞進(jìn)一個(gè)貨柜那么大的承載艙之中，以滿足大部分公路的使用規(guī)范。要達(dá)到這個(gè)重量和體積，要求核反應(yīng)堆不能使用笨重的水泥-石墨結(jié)構(gòu)屏蔽保護(hù)層和水冷裝置來(lái)降溫。

當(dāng)然，在沒(méi)有水泥-石墨保護(hù)層和水冷裝置的情況下，這款核反應(yīng)堆還必須能夠安全運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至遭到敵方的攻擊也不能出現(xiàn)核泄漏，這顯然是非常高的要求，如果成功，那核動(dòng)力的安全性可以說(shuō)是突破性的。

在過(guò)去的兩次七級(jí)重大核事故——福島和切爾諾貝利事件——中，都是由于降溫系統(tǒng)出現(xiàn)紕漏，導(dǎo)致堆芯過(guò)熱融化，而保護(hù)層也因?yàn)楸ɑ蛘叩卣鸪霈F(xiàn)裂痕，最終造成了災(zāi)難性的場(chǎng)面。由此可見(jiàn)，核事故最關(guān)鍵的問(wèn)題就兩個(gè)：保護(hù)層是否具有完整保護(hù)效果，散熱系統(tǒng)是否能夠保證有效散熱。

從原理上來(lái)看，核動(dòng)力其實(shí)跟燒煤差不多，所謂核燃料就是“煤塊”經(jīng)核裂變產(chǎn)生熱量，從而通過(guò)熱交換來(lái)發(fā)電。過(guò)去核電廠在發(fā)電過(guò)程中的溫度控制，首先是通過(guò)增減核燃料棒的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，用通俗的話來(lái)說(shuō)就是，火小了加煤，火大了減煤。除此之外，借助水冷可以實(shí)現(xiàn)熱交換，還可以帶走大量的熱量實(shí)現(xiàn)降溫，這就跟水開了加涼水道理一樣。

所謂核電站的安全性，其實(shí)主要依賴各部分的傳感器正常運(yùn)作，需要各種機(jī)械手段，如增減燃料棒的機(jī)械手或者加速水流的水泵等等。核電廠安全其實(shí)就靠增加這些機(jī)械設(shè)備和提升它們的可靠性來(lái)實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，還需要非常厚實(shí)的屏蔽層來(lái)隔絕放射性物質(zhì)。

當(dāng)然，從福島核電站的情況來(lái)看，如果遭遇重大自然災(zāi)害，人類設(shè)計(jì)的重重安全措施都可能被大自然的力量所摧毀，即便是沒(méi)有切爾諾貝利事件中的人為操作失誤，也可能造成嚴(yán)重后果。這也是各國(guó)對(duì)發(fā)展核電都非常謹(jǐn)慎的原因，畢竟“天有不測(cè)風(fēng)云”，人為操作失誤也很難完全避免，一旦出現(xiàn)重大事故，后果實(shí)在太過(guò)嚴(yán)重。

然而，核動(dòng)力“充電寶”這種聽起來(lái)很科幻的技術(shù)，有可能在可見(jiàn)的將來(lái)實(shí)現(xiàn)嗎？可能性似乎非常大。美國(guó)在此次項(xiàng)目中要研發(fā)的TRISO核燃料，實(shí)際上是一種技術(shù)已經(jīng)非常成熟的最新安全核燃料。TRISO確實(shí)是個(gè)從根本上解決核事故問(wèn)題的路徑。這款核燃料的革命性技術(shù)是分裝工藝。

過(guò)去的核燃料棒需要通過(guò)一個(gè)外置的屏蔽層來(lái)隔絕放射性，所以每次更換核燃料都非常麻煩。然而TRISO燃料其實(shí)是個(gè)自帶屏蔽層的燃料，就是把粒子狀的鈾、碳和氧組合在一起，并且使用碳基陶瓷材料包裹起來(lái)，然后再把這些已經(jīng)封裝好的粒子壓制成球狀物體，成為一個(gè)單獨(dú)的燃料球。換句話說(shuō)，每一個(gè)放射性粒子外面自帶一圈屏蔽層，千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)這種已經(jīng)保護(hù)好的粒子組成一個(gè)燃料球。這個(gè)燃料球最終沒(méi)有任何放射性，即便把球炸開，散落的一個(gè)個(gè)粒子仍舊在保護(hù)之下。

這確實(shí)從根本上解決了安全問(wèn)題，因?yàn)槌橇Ｗ拥谋Ｗo(hù)層被同時(shí)摧毀，否則根本不可能出現(xiàn)福島或者切爾諾貝利那種連鎖且無(wú)法控制的核災(zāi)難。這個(gè)技術(shù)帶來(lái)的另一個(gè)好處就是完全可以用空氣降溫，因?yàn)楹巳剂锨驔](méi)有輻射，只是一個(gè)會(huì)自動(dòng)發(fā)熱的金屬球體而已，這當(dāng)然會(huì)極大地減少整個(gè)反應(yīng)堆的體積，讓車載成為可能。

這種技術(shù)的原理其實(shí)并不復(fù)雜。實(shí)際上，早在1960年代就有人提出關(guān)于它的構(gòu)想，只是當(dāng)時(shí)的加工工藝不行，因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)TRISO燃料難以生產(chǎn)，且成本昂貴。2015年，美國(guó)能源部提出了新的能源戰(zhàn)略，其中就包括加強(qiáng)核動(dòng)力技術(shù)投資。

一家名為X-Energy 的美國(guó)中小型企業(yè)由于長(zhǎng)期專注于安全核燃料的技術(shù)開發(fā)，通過(guò)政府資助開發(fā)出新的TRISO 封裝工藝產(chǎn)品，被稱為TRISO-X。X-Energy 聲稱，TRISO-X是最安全的核燃料之一，且制造成本和生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用的可能。

美國(guó)國(guó)防部希望X-Energy的制造工藝技術(shù)能夠提供給其他合作伙伴使用，用于生產(chǎn)更多的TRISO燃料，并且進(jìn)一步改進(jìn)其安全性。除此之外，如何小型化核反應(yīng)堆并實(shí)現(xiàn)快速部署，也是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

貝利項(xiàng)目希望開發(fā)一個(gè) 1 - 5兆瓦輸出的反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆可以滿功率運(yùn)行三年。此外，反應(yīng)堆必須設(shè)計(jì)為在交付后3天內(nèi)運(yùn)行，并能在7天內(nèi)斷電運(yùn)走。從發(fā)電功率來(lái)看，這款移動(dòng)反應(yīng)堆并不大，因?yàn)楹藵撏褂玫暮朔磻?yīng)堆一般都超過(guò)200兆瓦。然而這樣一臺(tái)反應(yīng)堆已經(jīng)可以為4000人左右的小鎮(zhèn)供應(yīng)一年電力，并且能讓一個(gè)旅級(jí)規(guī)模的作戰(zhàn)部隊(duì)減少一半左右的燃油需求。除此之外，這款核動(dòng)力裝置有望直接裝在空天飛機(jī)上，幫助其實(shí)現(xiàn)幾乎永久的空中飛行動(dòng)力。

由此看來(lái)，這款核動(dòng)力“充電寶”在未來(lái)實(shí)現(xiàn)的可能還是相當(dāng)大的，畢竟關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入成熟階段。