小型模块化反应堆:核能实现承诺的新希望

稳定币与中央银行数字货币 元宇宙与虚拟现实 比特币

在应对气候变化的全球竞赛中,核能正在经历一场静悄悄的革命。传统大型核电站的建设往往耗时数十年、耗资数百亿美元,而一种全新的核能技术正在崛起 - - 小型模块化反应堆。这种创新技术有望让核能变得更加安全、经济和灵活,从而更接近实现其作为清洁能源的承诺。 美国第一个二十一世纪投入商业运营的商业核反应堆直到2016年才上线,那是田纳西州瓦茨巴核电站的二号机组,比一号机组晚了近二十年。这种漫长的停滞期在欧洲也同样存在。然而,2023年和2024年,佐治亚州附近的两个反应堆相继投入运营,世界各国政府和私营部门对核电站开发商的投资热情正在高涨。

虽然一些投资者仍在关注传统的轻水反应堆 - - 即使用普通水作为冷却剂、目前在美国唯一商业化使用的类型 - - 但大量的努力和资金正流向开发新一代小型反应堆,这些反应堆采用不同的燃料、冷却剂,并将需要开发新型结构材料。 小型模块化反应堆的英文缩写是SMR,其发电量可达300兆瓦电力,足够为约30万个家庭供电。这与传统轻水反应堆通常产生的1000兆瓦电力相比要少得多,但小型模块化反应堆应该更便宜、更容易建造。麻省理工学院核能先进系统中心主任、核工程师雅科波·布翁吉诺诺解释道,现有商业反应堆"非常高效、非常适合电网,但建造成本也非常昂贵"。 小型模块化反应堆的优势部分在于其模块化特性。工程师们不再需要从零开始建造整个发电厂,而是可以在工厂里建造大部分系统组件,然后运送到现场进行组装。

布翁吉诺诺用乐高积木来比喻这个过程:"我有预制的砖块,把它们连接起来就形成了反应堆。"2025年3月,美国能源部宣布投入9亿美元资助小型模块化反应堆的部署。一年后,欧盟委员会表示将投资高达2亿欧元用于小型模块化反应堆的建设。 然而,批评者认为小型模块化反应堆并不一定比大型核电站更具经济效益。位于马萨诸塞州剑桥的非营利组织忧思科学家联盟的物理学家兼核能安全主管爱德华·莱曼指出,小型模块化反应堆较低的发电输出意味着工厂必须生产数十个模块化反应堆才能比传统反应堆更具成本效益。他还认为,由于采用了不同的燃料和冷却剂,某些小型模块化反应堆设计可能比现有反应堆更危险。

尽管存在这些担忧,更快、更廉价建设的吸引力 - - 加上对清洁能源日益增长的需求,尤其是运行人工智能系统的数据中心 - - 使得开发模块化反应堆在商业上具有吸引力。加利福尼亚州阿拉梅达的凯罗斯电力公司正在田纳西州橡树岭建造一个名为赫尔墨斯一号的测试反应堆,并于4月开始建设一个50兆瓦的示范电站赫尔墨斯二号。该公司预计将在2030年开始商业运营,并与谷歌达成了供电协议。 赫尔墨斯一号是美国核管理委员会50多年来批准的第一个非轻水反应堆。轻水反应堆以其熟悉的冷却塔而闻名,使用水冷却,通常使用陶瓷二氧化铀芯块作为燃料,装入被称为燃料棒的锆合金管中。相比之下,赫尔墨斯一号使用三结构同位素球形燃料,这种燃料大小如罂粟籽,由铀构成,外层包覆碳陶瓷外壳。

反应堆的冷却剂不是水,而是名为氟化锂铍的熔融盐混合物。 位于田纳西州诺克斯维尔的田纳西大学核工程师尼古拉斯·布朗表示,三结构同位素燃料是研究人员所说的抗事故燃料中最古老、研究最充分的例子。二氧化铀核心,直径350至600微米,被一层多孔碳包围,这层碳可以捕获从核心逸出的裂变产物。在其周围是一层更密的碳,碳层本身又被一层碳化硅包围,碳化硅层充当微型密封容器。 成千上万的这种颗粒被装入每个高尔夫球大小的石墨球中。当这些球体在反应堆内部聚集时,发生裂变,产生的热量传递到冷却剂中。

用过的球体通常像糖果机里的糖果一样从反应堆中流出,新的球体从上方加入。这使得反应堆可以在不停机的情况下更换燃料。 赫尔墨斯一号使用氟化锂铍冷却剂的另一个优势在于水的沸点为100摄氏度,因此在轻水反应堆250至325摄氏度的温度下保持液态需要约150个大气压的压力。相比之下,赫尔墨斯一号的熔融盐冷却剂沸点约为1430摄氏度,远高于反应堆650摄氏度的运行温度。这意味着反应堆可以在正常大气压下运行,无需昂贵的安全壳。此外,如果发生泄漏,也没有压力将冷却剂和放射性同位素喷入空气中。

此外,使用熔融盐作为冷却剂的的反应堆可以在更高温度下运行,从而实现更高效的能量生产。 关于三结构同位素燃料的安全性,布朗强调了一个重要概念 - - 可无人值守安全。这种燃料在反应堆能达到的温度下不会熔化。在一次测试中,三结构同位素燃料在1800摄氏度的高温下存活了超过12天,这比最严重的事故情景产生的温度还要高。布朗说:"你可以把钥匙扔掉,走开,不必担心会像福岛或切尔诺贝利那样发生严重事故。" 三结构同位素燃料的问题在于它需要高分析低浓缩铀,其中燃料材料的铀235浓缩至约15%至20%。

今年1月,美国能源部向三家公司共授予27亿美元,用于创建国内高分析低浓缩铀浓缩能力。布朗表示,在这种能力建立之前,生产三结构同位素燃料将是缓慢且昂贵的。 科学家们正在为传统反应堆和小型模块化反应堆开发其他燃料。布朗的团队正在研究一种由钼制成的3D打印嵌件,可以放置在二氧化铀芯块的中间。由于钼具有良好的导热性,该嵌件可以将燃料芯块的热量流出提高一个数量级,从而降低其熔化导致事故的可能性。 另一种燃料和冷却剂的组合是泰拉电力公司在怀俄明州凯姆默建造的钠冷快堆的基础。

钠冷快堆345兆瓦的发电量刚好超过通常被认为是小型模块化反应堆的限额,华盛顿州贝尔维尤的公司首席运营官、机械工程师埃里克·威廉姆斯说道。它的燃料是铀和锆的合金。冷却剂则使用液态元素钠,其沸点接近900摄氏度,远高于反应堆500摄氏度的运行温度。裂变加热液态钠,液态钠反过来加热熔融氯化钠。当电力需求低时,这种熔融盐储存热量,当需求上升时,熔融盐沸腾水来驱动发电涡轮机。 威廉姆斯说,由于燃料、包裹燃料的包壳、液态钠和容器本身都是金属,该系统在导热方面表现出色。

即使反应堆关闭,由裂变产生的放射性核素继续衰变,产生额外热量,最初相当于满功率运行时约7%的热量。全金属设计简化了衰变热量的处理。"我们实际上可以通过自然循环让空气流过容器外部来冷却容器外部。"当然,液态钠如果与空气或水接触会燃烧,但该公司表示已设置额外的屏障和传感器来防止这种情况发生。 2011年日本福岛第一核电站因海啸发生故障时,操作人员试图泵入海水来冷却反应堆。但引发海啸的地震也损坏了电网和电厂大部分备用电源。

结果,冷却反应堆变得不可能,放射性物质被释放到环境中。由于泰拉电力的反应堆是风冷的,冷却可以无限期地继续下去,无需泵入任何东西。 威廉姆斯说,使用液态钠作为冷却剂还有另一个内置的安全特性。裂变最危险的放射性副产品是铯137和碘131。两者都具有高放射性,如果在泄漏事件中进入水和食物供应链,将造成严重危害。但钠会与这两种元素结合,因此钠基冷却剂可以将它们留在罐内。

"即使燃料全部失效,所有产生的铯和碘都进入钠中,它也会留在钠里。" 加州大学伯克利分校的核工程师拉卢卡·斯卡尔拉特表示,传统轻水反应堆不一定比泰拉电力等小型模块化反应堆更危险。核电站可以配备各种安全设施来确保其安全:主动安全措施,例如使用电动泵将冷却剂输送到反应堆的电动泵;以及依赖重力从屋顶水箱注水或排出反应堆燃料的被动备用系统。但某些小型模块化反应堆设计具有更多依赖物理而非工程的固有安全特性,例如能够在大气压下运行,并且还为设计被动安全系统提供了更多机会。 某些小型模块化反应堆的不同安全特性意味着它们可能需要较小的紧急缓冲区域。这既是因为较小的发电厂必然产生较少的放射性物质,也是因为其设计使放射性物质首先泄漏的可能性较小。

在美国,轻水反应堆长期以来有16公里半径的紧急规划区,要求人们在事故发生后立即撤离或就地避难,以及80公里半径的摄入规划区,在该区域辐射可能会进入土壤和地下水。2023年,美国核管理委员会发布了一项规定,表示小型模块化反应堆的规划区可以根据其技术逐案确定。威廉姆斯说,较小的区域可以使核电站选址更靠近需要电力的地方。 熔融盐的用途不仅限于冷却剂或储能介质。将放射性元素(如铀或钍)混入盐中,可以产生同时充当燃料和冷却剂的流体。实际上,使用这种液体燃料混合物设计的反应堆通常被称为熔融盐反应堆。

虽然泰拉电力专注于商业化其非熔融盐反应的钠冷快堆技术,但该公司也在美国能源部爱达荷福尔斯的爱达荷国家实验室开展熔融氯化物反应堆实验的工作,该实验使用熔融钠和氯化铀的混合物运行。 盐和辐射化学家、兼任能源部熔融盐反应堆研究主管的帕特里夏·帕维特表示,氯化物和氟化物盐用于燃料混合物都很有前景。"我们喜欢它们因为温度更高、效率更高。我们喜欢它们因为压力更低,所以不会发生压力事故情景。"与凯罗斯电力公司的球床反应堆类似,由熔融盐驱动的反应堆可以在不停机的情况下补充燃料 - - 运行时可以排出乏燃料并泵入新燃料。与轻水反应堆相比,另一个优势是锕系元素 - - 在核反应中产生的放射性元素 - - 可以作为后续反应的燃料。

在熔融氯化物反应堆中,核裂变链式反应由高能中子维持。相比之下,轻水反应堆中的水充当减速剂,使中子减速。因此,熔融氯化物反应堆可以燃烧锕系元素作为额外燃料,而轻水反应堆则不能。 帕维特说,熔融盐反应堆(无论是氯化物还是氟化物)为最小化核废料提供了机会。轻水反应堆的乏燃料含有约95%的铀和1%的钚。法国和俄罗斯有广泛的回收计划,但美国不回收任何核废料,部分原因是处理它更便宜。

帕维特说,处理液体燃料比制造或拆卸固体燃料更容易。 在极高温度下运行的机器中存在盐类,这引发了腐蚀的担忧。斯卡尔拉特认为,如果系统设计能够将水和氧气排除在外,氧化应该不是问题。但即使做到了这一点,其他机制也可能削弱反应堆中的结构材料。例如,熔融盐往往会溶解铬 - - 添加到钢中使其成为不锈钢的元素。这意味着反应堆部件的铬含量不应超过约7%,田纳西大学诺克斯维尔分校的核工程师兼材料科学家史蒂文·津克尔说道。

这些新型高温反应堆的结构材料还必须承受辐射的影响,辐射可以通过撞击原子使其移位来产生缺陷。高温使得这些缺陷容易迁移并形成团簇,从而使材料变得更脆。津克尔说,在成千上万种已知合金中,只有六种获得美国机械工程师协会的认证,可用于高温反应堆。他说,其中没有一种被认证用于设计师希望能够使用的最高温度反应堆。 津克尔领导着一个由能源部资助的项目,开发更多可用于反应堆的合金。其中一种是磁性钢,另一种是基于钒的合金。

两者都采用沉淀强化工艺,这是一种利用反复加热和冷却循环在较大结构内部形成小块材料的方法,这些小块材料可以阻挡缺陷,已被证明可提供抗辐射能力。其他材料科学家正试图设计材料晶体结构中晶粒的边界,使其成为缺陷的陷阱。 布朗说,开发新材料、燃料和反应堆设计是一个缓慢的过程,需要耐心。但他认为这些努力是值得的。核能"对国家和世界的未来都非常重要。它非常安全。

这确实是下一代能源,将使我们能够超越化石燃料"。在阴影笼罩着过去的灾难时,核工程师们正在开发不同类型的反应堆、燃料、冷却剂和材料,这些可能有助于使裂变成为首选的零碳能源技术。小型模块化反应堆正在将核能的承诺变为现实。 随着全球对清洁能源的需求不断增长,小型模块化反应堆代表了核能发展的新方向。它们不仅有可能解决传统核电站建设成本高昂和建设周期长的问题,还通过采用先进的安全设计,如被动冷却系统和抗事故燃料,大大提高了核能的安全性。从使用三结构同位素燃料的球床反应堆到使用液态钠冷却的钠冷快堆,再到利用熔融盐同时作为燃料和冷却剂的技术创新,每一次技术突破都在推动核能向更安全、更经济、更灵活的方向发展。

尽管挑战依然存在 - - 从高分析低浓缩铀的供应到新型结构材料的开发 - - 但各国政府和私营部门的大量投资表明,小型模块化反应堆的商业化前景十分光明。凯罗斯电力公司计划在2030年开始商业运营,泰拉电力公司也在推进其钠冷快堆项目,这些都标志着核能复兴正在加速。随着技术的成熟和供应链的建立,小型模块化反应堆有望在全球能源转型中发挥关键作用,帮助世界实现碳中和的目标。核能的承诺正在一步步变为现实,而小型反应堆正是实现这一愿景的关键技术。 。