美積極推進(jìn)兩種軍用微堆研究

美國國防部后勤局和空軍2022年9月26日聯(lián)合發(fā)布關(guān)于阿拉斯加州艾爾森（Eielson）空軍基地固定式微型反應(yīng)堆建設(shè)項(xiàng)目的建議邀請書（RFP），正式啟動首座軍用固定式微堆招標(biāo)程序。這是一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目。如果獲得成功，未來將在其他軍事基地推廣這種反應(yīng)堆。

固定式微堆是美國防部正在積極推動研發(fā)和示范的兩種微堆之一。國防部戰(zhàn)略能力辦公室于2019 年啟動“貝利”項(xiàng)目（Project Pele），目的是推進(jìn)移動式微堆的研發(fā)和示范，進(jìn)而滿足國外前沿作戰(zhàn)基地的能源需求。相對而言，移動式微堆在反應(yīng)堆體積、重量、能量密度和安全防護(hù)等方面面臨較高的技術(shù)挑戰(zhàn)。固定式微堆不需要機(jī)動能力，技術(shù)難度相對較低，可選擇更成熟、成本更低的技術(shù)。

1 固定式微堆

1.1 保障軍事基地能源供應(yīng)

美國防部的國內(nèi)設(shè)施超過500座，能源消耗量占聯(lián)邦政府能耗總量的20%以上。目前，這些軍事基地幾乎完全依賴外部電網(wǎng)供電，可能因各種威脅造成長時(shí)間供電中斷，從而導(dǎo)致關(guān)鍵任務(wù)面臨長期斷電威脅。備份電源通常以柴電機(jī)組為基礎(chǔ)，現(xiàn)場的燃料儲備有限。美國國防科學(xué)委員會國防部能源戰(zhàn)略特別工作組在2008年的一份報(bào)告中指出：“關(guān)鍵國家安全和國土保衛(wèi)任務(wù)面臨的因電網(wǎng)故障導(dǎo)致長時(shí)間斷電的風(fēng)險(xiǎn)高得不可接受?！?/p>

美將固定式微堆視為有助于加強(qiáng)軍事基地能源保障的理想技術(shù)選擇?！?019財(cái)年國防授權(quán)法》要求國防部為滿足軍事基地能源需求啟動固定式微堆選址。美空軍2021年10月宣布選定艾爾森空軍基地作為首堆廠址。

1.2 艾爾森基地微堆建設(shè)項(xiàng)目

美于2022年9月發(fā)布建議邀請書，啟動供應(yīng)商選擇程序。預(yù)計(jì)美將于2023年選定技術(shù)供應(yīng)商，并啟動取證程序。在根據(jù)《國家環(huán)境政策法》完成環(huán)境影響評價(jià)并獲得核管會（NRC）頒發(fā)的許可證后，艾爾森基地微堆將于2025 年啟動建設(shè)，2027 年建成投運(yùn)，提供電力和蒸汽，能夠滿足5000千瓦基荷電力需求。

反應(yīng)堆將由承包商建設(shè)和運(yùn)營。美空軍以簽署固定價(jià)格合同的方式為該堆的建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)維和最終退役提供經(jīng)費(fèi)。經(jīng)費(fèi)將以年度撥款的形式支付，且合同期不會超過30年，包括建設(shè)期、測試期、能源生產(chǎn)期和反應(yīng)堆拆解期。

反應(yīng)堆的負(fù)荷因子應(yīng)不低于90%，換料周期不短于18 個(gè)月，每次停堆換料和維護(hù)的時(shí)間不超過30 天。應(yīng)每年進(jìn)行至少一次、或應(yīng)政府要求進(jìn)行無人值守的安全和黑啟動（即可以在完全沒有外部電力供應(yīng)的情況下啟動運(yùn)行）測試，以驗(yàn)證反應(yīng)堆能夠從滿負(fù)荷運(yùn)行模式轉(zhuǎn)入停堆模式，或從停堆模式轉(zhuǎn)入滿負(fù)荷運(yùn)行模式。這一測試應(yīng)包括驗(yàn)證反應(yīng)堆在停堆最長24 小時(shí)內(nèi)無需任何操縱員干預(yù)也能保持在安全停運(yùn)狀態(tài)。

1.3 候選技術(shù)

美國奧克洛公司（Oklo）、西屋公司（Westinghouse）、紐斯凱爾電力公司（NuScale Power）、通用原子能公司（General Atomics）、X 能源公司（X-energy）等企業(yè)近年來均推出了微堆設(shè)計(jì)或正在開展相關(guān)研究，涉及快堆、熱管堆、壓水堆、高溫氣冷堆等多種堆型。

奧克洛公司正在推進(jìn)名為Aurora 的微型快堆研發(fā)。該設(shè)計(jì)使用高豐度低濃鈾金屬燃料，裝機(jī)容量約為1500千瓦。該公司2020年向核管會提交在愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和運(yùn)營Aurora 首堆的申請。但核管會2022 年1 月宣布奧克洛提供的材料不足以推進(jìn)評審工作的開展。奧克洛2022 年9 月向核管會提交了一份取證項(xiàng)目計(jì)劃（LPP），概述了未來將開展的取證活動。該公司表示，這將支持高效、有效的審查過程，進(jìn)而推進(jìn)Aurora技術(shù)的商業(yè)化。

西屋公司基于空間反應(yīng)堆技術(shù)研發(fā)成果，研發(fā)了裝機(jī)容量為200千瓦至2.5萬千瓦的熱管堆eVinci。紐斯凱爾電力公司正在基于其7.7 萬千瓦的模塊化小型壓水堆設(shè)計(jì)開展1000千瓦至1萬千瓦微堆研究。通用原子能公司正在研發(fā)一種可使用標(biāo)準(zhǔn)康乃克斯集裝箱運(yùn)輸?shù)?000千瓦至1萬千瓦的微堆。X能源公司正在推進(jìn)X-Battery微型高溫氣冷堆研究。

2 移動式微堆

2.1 保障前沿作戰(zhàn)基地能源供應(yīng)

美國國防科學(xué)委員會在2016年的一份報(bào)告中指出，前沿作戰(zhàn)基地面臨日益嚴(yán)峻的能源供應(yīng)挑戰(zhàn)：一是未來幾十年戰(zhàn)場的能源使用量可能會大幅增加，使得能源運(yùn)輸和管理成為一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)；二是鑒于能源需求的指數(shù)性增長，國防部必須對能源保障進(jìn)行重新評估；三是研究發(fā)現(xiàn)，長期能源解決方案應(yīng)有助于技術(shù)優(yōu)勢的維持；四是新型現(xiàn)代作戰(zhàn)系統(tǒng)（如定向能激光、軌道炮和無人機(jī)）對可靠、高密度能源的需求不斷增加。報(bào)告還指出，核反應(yīng)堆技術(shù)近年來已取得巨大進(jìn)步，四代反應(yīng)堆技術(shù)的研發(fā)已取得顯著進(jìn)展。報(bào)告的結(jié)論是，微堆可能成為改變戰(zhàn)場能源保障范式的顛覆性技術(shù)。

為保障前沿作戰(zhàn)基地能源供應(yīng)，降低前沿基地常規(guī)燃料需求，減少后勤燃料運(yùn)輸帶來的傷亡，并為滿足未來定向能激光武器、電磁軌道炮等新型武器裝備的能源需求做好準(zhǔn)備，美國防部戰(zhàn)略能力辦公室2019 年啟動“貝利”項(xiàng)目，目標(biāo)是開發(fā)電功率1000至5000千瓦的移動式微堆。

2.2 “貝利”項(xiàng)目

戰(zhàn)略能力辦公室2020 年3 月宣布在“貝利”項(xiàng)目下為三家技術(shù)開發(fā)商BWX 技術(shù)公司（BWX Technologies）、X能源公司和西屋公司推進(jìn)移動式微堆研發(fā)提供總計(jì)3970 萬美元資助；2021年3月宣布分別授予BWX技術(shù)公司和X能源公司2790 萬美元和2870 萬美元的合同，資助它們繼續(xù)開展移動式微堆研發(fā)；2002年4月宣布將在愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室開展首座移動式微堆的建設(shè)和運(yùn)行工作；2022 年6 月授予BWX 技術(shù)公司總價(jià)值約3億美元合同，由后者負(fù)責(zé)建設(shè)首座移動式微堆。

根據(jù)合同規(guī)定，BWX技術(shù)將在2024年完成首座軍用微堆的建設(shè)并將其交付給愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室。這座反應(yīng)堆將是一座高溫氣冷堆，使用高豐度低濃鈾三元結(jié)構(gòu)各向同性（TRISO）燃料，電功率為1000至5000千瓦，由多個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊均可裝在6米長的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱中，可采用公路、鐵路、空運(yùn)和水運(yùn)等方式運(yùn)輸。反應(yīng)堆能夠在72 小時(shí)內(nèi)完成組裝并投入運(yùn)行。停堆后，能在不到7天的時(shí)間里完成冷卻，并拆解成適于運(yùn)輸?shù)姆绞健＿@座反應(yīng)堆將在愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室接受為期三年的性能測試，包括完成拆解并運(yùn)至另一個(gè)位置組裝和運(yùn)行。

由于“貝利”不是一個(gè)商業(yè)項(xiàng)目，因此首座移動式微堆將在能源部授權(quán)下開展測試和運(yùn)行工作。核管會也參與該項(xiàng)目，主要負(fù)責(zé)提供有關(guān)適用法規(guī)和取證程序的信息。

美國選擇高溫氣冷堆建設(shè)移動式微堆的主要原因是這種反應(yīng)堆具有非常高的固有安全性。

一是具有非能動安全特性。帶有涂敷層的TRISO 燃料顆粒（詳見圖1）擁有良好的耐高溫性能和包封能力，石墨慢化劑擁有高熱容量和強(qiáng)導(dǎo)熱能力，氦冷卻劑具有化學(xué)惰性。在這些特性的共同作用下，高溫氣冷堆在事故工況下，能夠不借助外部設(shè)備或操縱員干預(yù)，將堆芯熱量轉(zhuǎn)移至外部環(huán)境。

二是在事故應(yīng)急響應(yīng)期間降低對操縱員行動的依賴。由于堆芯的低功率密度和石墨堆芯結(jié)構(gòu)件的高熱容量，高溫氣冷堆堆芯溫度在事故發(fā)生后的上升速度緩慢，為操縱員采取相應(yīng)行動預(yù)留了較長時(shí)間，通常為幾天或一周。

三是核燃料涂覆層可對裂變產(chǎn)物進(jìn)行穩(wěn)固包封。TRISO 燃料涂覆層具有很強(qiáng)的耐高溫能力，能夠在1600～1800℃的高溫下包封裂變產(chǎn)物?？梢詫Ψ磻?yīng)堆堆芯進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，使堆芯最高事故溫度不會超過燃料最高可承受溫度，進(jìn)而使反應(yīng)堆不會發(fā)生燃料熔毀事故。

圖1 三元結(jié)構(gòu)各向同性（TRISO）燃料顆粒的結(jié)構(gòu)

3 小結(jié)

美軍曾于上世紀(jì)五、六十年代建設(shè)并部署8座裝機(jī)容量1000 千瓦至10 萬千瓦的反應(yīng)堆，其中5 座是可移動的。然而受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，這些反應(yīng)堆在運(yùn)行可靠性方面存在不足，且造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用高昂，它們于上世紀(jì)70 年代被棄用。

微堆具有安全水平高、靈活性好、能源保障能力強(qiáng)、廠址要求相對較低等特點(diǎn)，在支持特殊地區(qū)軍用能源供給、降低后勤負(fù)擔(dān)、滿足高耗能裝備能源需求等方面具有優(yōu)勢，是未來軍事技術(shù)的高地之一。美國防部將微堆視為顛覆性技術(shù)，正在推動兩種微堆技術(shù)研發(fā)：一種是用于滿足軍事基地能源需求的固定式微堆，另一種是用于滿足前沿作戰(zhàn)基地能源需求的移動式微堆。

值得注意的是，美國防部積極推動微堆研發(fā)，除了滿足軍事需求，還意在幫助技術(shù)開發(fā)商加快推進(jìn)相關(guān)微堆技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程，幫助美國核工業(yè)企業(yè)在未來的國際市場競爭中搶占先機(jī)，因?yàn)槲⒍言诜擒娛骂I(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景：一是能夠替代柴油發(fā)電機(jī)和小型電廠，為偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島、海洋資源開發(fā)平臺提供能源；二是能夠用于滿足精煉廠、海水淡化廠、制氫設(shè)施的能源需求；三是可用于在人道主義救援和救災(zāi)行動中快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模供電；四是由于相關(guān)配套技術(shù)的通用性，微堆技術(shù)的發(fā)展成熟必將帶動空間動力堆以及深海探測船用小型核動力系統(tǒng)等其他領(lǐng)域反應(yīng)堆技術(shù)的發(fā)展。