美國橡樹嶺國家實驗室對我國反應堆技術發展的啟示

文彥　盧川　劉文興

【摘 要】本文梳理了美國橡樹嶺國家實驗室的發展歷程及其在核反應堆領域的科研工作，包括發現氙-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”號核潛艇反應堆方案設計等。回顧了其12座研究堆，包括溶液堆、熔鹽堆、脈沖堆和水冷堆等，以及在飛機核動力、增殖堆核電站、移動式反應堆、核商船和核能海水淡化等領域推廣應用核能與核動力技術的嘗試。通過上述研究，可為我國核能與核動力技術的長遠發展提供參考和借鑒。

【關鍵詞】橡樹嶺國家實驗室;研究;啟示

中圖分類號： G649.712文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）32-0098-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.043

0 概述

橡樹嶺國家實驗室（簡稱ORNL）是美國能源部所屬的大型國家實驗室，成立于1943年。研究領域涉及中子科學、能源科學、化學與放射化學等。

建立70余年以來，ORNL在核能技術領域作出了歷史性的貢獻，特別是早期發展階段，在核反應堆技術領域開展過大量探索性、開創性研究，為核能技術可持續發展奠定了重要基礎。

本文簡要回顧和研究了ORNL的發展歷程及其在核反應堆技術領域的科研工作，對我國核能技術長遠發展具有借鑒意義。

1 ORNL的創立

1941年12月，美國正式啟動原子彈研制計劃，在芝加哥大學匯集原子彈之父奧本海默、氫彈之父愛德華.泰勒等優秀科學家，成立冶金實驗室開展鏈式反應基礎研究。后冶金實驗室的科學家牽頭分別在田納西州橡樹嶺地區建立克林頓實驗室進行原子彈原料生產，在新墨西哥州建立洛斯阿拉莫斯實驗室從事核武器研制，并將芝加哥大學的世界首座石墨反應堆遷往附近阿貢地區，成立阿貢實驗室從事反應堆相關研究。

圖1 橡樹嶺國家實驗室發展脈絡

克林頓實驗室逐漸擴建形成大型綜合性核能實驗室，1947年被美國原子能委員會命名為橡樹嶺國家實驗室（見圖1）。

2 早年科學活動與主要成果[1]

2.1 漢福特反應堆冷卻劑選擇與氙-135的發現

冶金實驗室成立后開展了用于原子彈材料钚-239生產的天然鈾石墨慢化钚生產堆設計，提出過氦氣、液態鉍和輕水3種堆芯冷卻劑，后因氦氣循環壓縮機研制難度太高，液態鉍實際操作難度大的原因，經過科學家們激烈爭論，最終選取了輕水冷卻方案。

1944年，美國在華盛頓漢福特地區建成钚生產堆。在運行初期出現意外的自動停堆現象，費米等科學家通過現場研究發現一種堆芯裂變產物氙-135，它因中子吸收截面很大，會導致堆芯有效增殖系數明顯降低而被稱為“毒物”。該發現為后來的核反應堆物理學發展奠定了重要理論基礎。

2.2 重水慢化堆概念提出

1942年，冶金實驗室發現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，因此從1943年起開展重水慢化反應堆研究，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。為阿貢實驗室建造“芝加哥3號”重水堆及后來世界建造的多座重水堆核電廠奠定了重要理論基礎。

2.3 X-10反應堆與反應堆溫度系數測量

為給漢福特反應堆提供技術經驗，美國在克林頓實驗室先建造了X-10钚生產原型堆，并于1943年11月實現臨界。它采用與漢福特反應堆不同的高速空氣作冷卻劑，是人類歷史上第2座鏈式反應堆，也是世界首座產生顯著熱量的反應堆。后來在該堆上準確測量出了反應堆溫度系數，為反應堆技術的發展奠定了重要基礎。

2.4 钚-240的發現

1944年，洛斯阿拉莫斯實驗室在對钚開展研究時發現，钚-239吸收一個中子后，約有30%的概率轉化為钚-240，且钚元素在反應堆內滯留時間越長，生成的钚-240越多。由于钚-240會自發裂變再產生中子，它將導致原子彈被提前引爆。該發現促使洛斯阿拉莫斯實驗室將原來的“槍型”原子彈改進為“內爆式”原子彈，促進了原子彈技術的發展。

2.5 增殖反應堆概念提出

1944-1945年間，克林頓實驗室通過大量理論研究首次提出增殖反應堆概念，進而首次提出快中子增殖堆和中能中子增殖堆設計方案，這為后來快堆及增殖堆技術發展奠定了理論基礎。

2.6 核擴散問題與核廢料問題提出

在增殖堆概念提出的基礎上，費米提出核武器原材料钚向恐怖組織擴散的問題，以及反應堆放射性物質處置問題，即后來引起世界廣泛關注的核擴散和核廢料問題。至今，這兩個問題仍是影響核能可持續發展的關鍵。

2.7 高溫氣冷堆概念提出

基于“曼哈頓”計劃中炸藥化學制造等技術基礎，克林頓實驗室將用于固定空氣中氮氣的方法推廣為球床反應堆的概念，將氣體（如氦氣）用作冷卻劑，流過鈾的氧化物或碳化物球床，該概念的提出為后來球床式高溫氣冷堆技術的發展奠定了理論基礎。

2.8 壓水堆概念提出

1944年前后，克林頓實驗室測得天然鈾柵格在空氣中優化排列后增殖系數最大僅為0.2，該研究首次試驗證明天然鈾不可能發生原子彈爆炸，也證明天然鈾具有一定的快中子裂變截面，通過與輕水組合可能產生鏈式反應，這一重要結論極大地推動了輕水反應堆技術發展，后進一步在X-10反應堆熱中子源區域開展了輕水柵格組合實驗，證明采用輕水可使天然鈾（或低濃縮鈾）堆芯中子增殖系數接近1。

1944年9月，克林頓實驗室提出采用輕水作慢化劑與冷卻劑的壓水堆概念，為后來全世界推廣應用壓水堆核電站和艦艇反應堆技術奠定了重要理論基礎。

2.9 橡樹嶺核技術學校創建

1946年，克林頓實驗室創建了反應堆培訓學校為工業界和美國海軍培養核工程人才，其中就包括后來的美國“核潛艇之父”里科弗、西屋公司和碳素公司領導人等。該校于1950年正式命名為橡樹嶺核技術學校，曾編寫教材《反應堆理論綱要》并被我國高校初創核反應堆專業時廣泛采用[2]。

2.10 “鸚鵡螺”號核潛艇反應堆概念方案

1947年“冷戰”開始后，里科弗領銜啟動研發核動力潛艇。初期產生了通用電氣液態鈉冷堆和ORNL壓水堆技術之爭，考慮壓水堆系統簡單、體積小等優點，可以彌補熱效率低的不足，“鸚鵡螺”號最終采用壓水堆方案，并在ORNL完成核動力裝置布置草圖設計，后研制任務被分派到阿貢國家實驗室。

在此期間，ORNL首次驗證了鋯在高溫高壓水中的良好耐腐蝕性，為后來壓水堆廣泛采用鋯合金作燃料包殼奠定了重要基礎。另外，ORNL還提出壓水堆密封轉子水泵設計方案，為后來屏蔽泵研發應用奠定了基礎。

3 多堆全面開花

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

在其中的低強度試驗堆內首次證明堆芯水慢化劑高速流動不會影響中子平衡反應這一結論;首次發現反應堆內切倫科夫輻射光;開展實驗證明了沸水堆的可行性，為后來沸水堆研發建造提供了重要支撐。

此外，1950年運行的一體化屏蔽實驗堆是世界首座游泳池反應堆，被推廣到全世界，先后建造100余座。1958年運行的橡樹嶺研究堆成功運行了30年，是美國早期最強的中子源，在中子衍射與同位素生產領域長期領先。

4 核能技術推廣應用[1]

4.1 飛機核動力

20世紀40年代后期，美國空軍曾提出核動力飛機研制計劃。提出了采用含鈾熔融氟化物作堆芯燃料的熔鹽堆概念，并成功建造了飛機反應堆實驗裝置（ARE），該熔鹽堆在2.5MW功率下成功運行了100小時。后進一步建造了兩座懸空反應堆實驗裝置來研究飛機核動力的屏蔽特性。

飛機核動力在1959年美國洲際彈道導彈研制成功后戰略需求大幅降低，一年后計劃終止。

4.2 增殖堆核電站

20世紀50年代，ORNL先后設計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溶液輻照產氣、功率振蕩、溶液泄露和等問題，很快被關閉。熔鹽堆則自1965年起正常運行了4年，期間成功采用釷作燃料運行了1年時間，實現了鈾-233燃料的增殖。當時壓水堆技術已獲得較大成功，快堆增殖技術也已占據主導，因此熔鹽堆技術也未得到進一步發展。

4.3 陸軍移動式反應堆

上世紀50年代，在美國海軍和空軍分別發展核潛艇和核動力飛機時，美國陸軍也啟動了移動式反應堆電源（SM-1）項目。由ORNL負責反應堆設計。首座移動式反應堆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，可對偏遠區域供熱、供電，該堆運行了10年。美國后來又在格陵蘭、南極和北極等地區建造了8座該型反應堆。但由于維護、經費等原因陸續全部退役。

4.4 核商船

核潛艇取得成功后，ORNL協助巴威公司建造了世界首艘核商船“薩瓦納”號，將核動力技術推廣到民用船舶領域。它采用1座69MWt壓水堆，運行8年時間后因經濟性差提前退役。

4.5 核能海水淡化與工業利用

20世紀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工藝的研究。提出美國及中東地區核能海水淡化、利用核能開展化工產品制備、礦石提煉、金屬制造等設想和方案。后因經濟性差均未發展。

5 結束語

本文簡要回顧了20世紀40-70年代美國ORNL在核能技術領域的發展歷程，從中可感受到科學家在核科學和工程領域的積極探索、大膽創新精神，其研究成果為世界核能事業發展做出了歷史性貢獻。

21世紀的今天，我國核能與核動力發展也迎來新的機遇，消化吸收以往核反應堆科學研究經驗教訓，將為我國核能事業的開創發展提供有助推力量。

【參考文獻】

[1]艾爾文.溫伯格.第一核紀元[M].呂應中譯.北京：原子能出版社.1996.

[2]賈斗南.回憶核科學與技術學科的創建和發展歷程[OL].2016.