美國要搞核動力“充電寶”

朱江明

尼米茲級艾森豪威爾號核動力航空母艦

近日，美國媒體稱，國防部長辦公室 （OSD） 已為一個名為貝利（Pele）的科研項目申請了6000萬美元，該項目旨在開發一種新型可移動核反應堆，為美國國防部 （DOD） 各種任務提供高輸出的電力支持，并且能夠進行更機動的彈性部署。這個可以被視為大號核動力“充電寶”的東西，到底是美國國防部異想天開的搞笑發明，還是確實有可能成為現實的未來黑科技呢？

現在要解答這個項目到底能否實現恐怕還為時過早。根據美國國防部公布的文件，當前階段的6000萬美元預算主要用于研發一種名為三結構同位素 （TRISO）的核燃料。在現階段的研發中，并不會制造這一移動核反應堆的樣機。也就是說，根據預算來看，2022年結束前，我們都看不到這個核動力“充電寶”的實物。

然而，縱觀整個項目，最有技術含量的其實就是新型核燃料。因為這個項目要求產品能夠機動部署，并且只需要一輛載重卡車就能拉著核反應堆“滿街跑”。這個反應堆必須能夠塞進一個貨柜那么大的承載艙之中，以滿足大部分公路的使用規范。要達到這個重量和體積，要求核反應堆不能使用笨重的水泥-石墨結構屏蔽保護層和水冷裝置來降溫。

當然，在沒有水泥-石墨保護層和水冷裝置的情況下，這款核反應堆還必須能夠安全運轉，甚至遭到敵方的攻擊也不能出現核泄漏，這顯然是非常高的要求，如果成功，那核動力的安全性可以說是突破性的。

在過去的兩次七級重大核事故——福島和切爾諾貝利事件——中，都是由于降溫系統出現紕漏，導致堆芯過熱融化，而保護層也因為爆炸或者地震出現裂痕，最終造成了災難性的場面。由此可見，核事故最關鍵的問題就兩個：保護層是否具有完整保護效果，散熱系統是否能夠保證有效散熱。

從原理上來看，核動力其實跟燒煤差不多，所謂核燃料就是“煤塊”經核裂變產生熱量，從而通過熱交換來發電。過去核電廠在發電過程中的溫度控制，首先是通過增減核燃料棒的數量來實現，用通俗的話來說就是，火小了加煤，火大了減煤。除此之外，借助水冷可以實現熱交換，還可以帶走大量的熱量實現降溫，這就跟水開了加涼水道理一樣。

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

當然，從福島核電站的情況來看，如果遭遇重大自然災害，人類設計的重重安全措施都可能被大自然的力量所摧毀，即便是沒有切爾諾貝利事件中的人為操作失誤，也可能造成嚴重后果。這也是各國對發展核電都非常謹慎的原因，畢竟“天有不測風云”，人為操作失誤也很難完全避免，一旦出現重大事故，后果實在太過嚴重。

然而，核動力“充電寶”這種聽起來很科幻的技術，有可能在可見的將來實現嗎？可能性似乎非常大。美國在此次項目中要研發的TRISO核燃料，實際上是一種技術已經非常成熟的最新安全核燃料。TRISO確實是個從根本上解決核事故問題的路徑。這款核燃料的革命性技術是分裝工藝。

過去的核燃料棒需要通過一個外置的屏蔽層來隔絕放射性，所以每次更換核燃料都非常麻煩。然而TRISO燃料其實是個自帶屏蔽層的燃料，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，然后再把這些已經封裝好的粒子壓制成球狀物體，成為一個單獨的燃料球。換句話說，每一個放射性粒子外面自帶一圈屏蔽層，千千萬萬個這種已經保護好的粒子組成一個燃料球。這個燃料球最終沒有任何放射性，即便把球炸開，散落的一個個粒子仍舊在保護之下。

這確實從根本上解決了安全問題，因為除非粒子的保護層被同時摧毀，否則根本不可能出現福島或者切爾諾貝利那種連鎖且無法控制的核災難。這個技術帶來的另一個好處就是完全可以用空氣降溫，因為核燃料球沒有輻射，只是一個會自動發熱的金屬球體而已，這當然會極大地減少整個反應堆的體積，讓車載成為可能。

這種技術的原理其實并不復雜。實際上，早在1960年代就有人提出關于它的構想，只是當時的加工工藝不行，因此在很長一段時間內TRISO燃料難以生產，且成本昂貴。2015年，美國能源部提出了新的能源戰略，其中就包括加強核動力技術投資。

一家名為X-Energy 的美國中小型企業由于長期專注于安全核燃料的技術開發，通過政府資助開發出新的TRISO 封裝工藝產品，被稱為TRISO-X。X-Energy 聲稱，TRISO-X是最安全的核燃料之一，且制造成本和生產規模已經達到了實用的可能。

美國國防部希望X-Energy的制造工藝技術能夠提供給其他合作伙伴使用，用于生產更多的TRISO燃料，并且進一步改進其安全性。除此之外，如何小型化核反應堆并實現快速部署，也是要解決的關鍵問題。

貝利項目希望開發一個 1 - 5兆瓦輸出的反應堆，該反應堆可以滿功率運行三年。此外，反應堆必須設計為在交付后3天內運行，并能在7天內斷電運走。從發電功率來看，這款移動反應堆并不大，因為核潛艇使用的核反應堆一般都超過200兆瓦。然而這樣一臺反應堆已經可以為4000人左右的小鎮供應一年電力，并且能讓一個旅級規模的作戰部隊減少一半左右的燃油需求。除此之外，這款核動力裝置有望直接裝在空天飛機上，幫助其實現幾乎永久的空中飛行動力。

由此看來，這款核動力“充電寶”在未來實現的可能還是相當大的，畢竟關鍵技術已經進入成熟階段。