核“能量球”可能会使熔毁成为历史

编译 星野

Triso粒子是一种看上去很陌生的燃料，具有内在的安全特性，将为新一代高温反应堆提供动力。

所有核电站的基本理念都是一样的：将核裂变产生的热量转化为电能。有几种方法可以做到这一点，但在每一种情况下，它都涉及安全与效率之间微妙的平衡。核反应堆在堆芯很热的时候工作得最好，但是如果它过热就会导致熔毁，使环境受到污染，人们可能会死亡，而且需要数十亿美元来清理这个烂摊子。

上一次发生这种情况是在不到10年前，当时日本福岛第一核电站发生了一次大地震，随后发生了一系列海啸。但未来几年即将上线的新一代反应堆的目标是让这类灾难成为过去。这些反应堆不仅比现在的核电站更小，效率更高，而且它们的设计者声称它们实际上可以防熔毁。他们的秘诀是什么？被数百万个亚毫米大小的铀外壳包裹。它叫作Triso燃料，就像一个具有放射性的大块圆硬糖。

Triso是“三结构各向同性”（tristructural isotropic）燃料的简称，它由低浓缩铀和氧的混合物制成，周围有三层石墨和一种叫作碳化硅的陶瓷层。每个粒子都比罂粟籽小，但它的层状外壳可以保护里面的铀，即使在反应堆中最极端的条件下也不会熔化。

保罗•德姆科维茨（Paul Demkowicz）是爱达荷国家实验室（INL）先进气体反应堆领域开发和鉴定项目的负责人，他的大部分工作是模拟下一代核反应堆的最坏情况。在过去的几年里，德姆科维茨和他的同事们一直在对Triso燃料进行鉴定测试，包括将它们放入反应堆中并打破温度限制。如今，大多数核反应堆的运行温度都远低于1 000华氏度，甚至下一代高温反应堆的最高温度也将在2 000华氏度左右。但在INL试验中，德姆科维茨证明Triso能够承受超过3 200华氏度的反应堆温度。在长达两周的测试中，30万个粒子中没有一个Triso涂层失败。

德姆科维茨说：“在新的反应堆设计中，基本上不可能超过这些温度，因为反应堆在达到这些高温时会关闭。因此，如果你把这些反应堆设计与一种能应付热量的燃料结合起来，你基本上就有了一个防事故的反应堆。”

在常规核反应堆中，防止熔毁的主要防线是燃料控制棒，电厂操作员用它来控制堆芯的裂变率。如果温度变得过高，它们会将更多的燃料棒推入核心，这样裂变率和温度就会下降。世界上每一个运行中的核反应堆都被安置在一个巨大的安全壳结构中，以防止发生故障时放射性物质逸出。

但是对于Triso燃料，这些安全特性是多余的，因为每个粒子都被有效地包裹在控制棒中。这为小型反应堆的设计打开了大门，这在以前是不可能的。“现在你不必耗资数亿美元去建造反应堆的大型安全壳，因为这种燃料本身就带有安全壳，”生产Triso燃料和核反应堆的BWXT公司核操作小组主席乔尔•杜林（Joel Duling）说，“这样你就可以有一个能装在货柜里的反应堆，而且仍然具有传统商业反应堆的所有安全特性。”

Triso燃料从20世纪60年代就开始使用了，但是它的制造成本很高，而且没有足够的能量密度来满足世界上大多数核电站中都具有的巨型轻水反应堆的需求。然而，一旦美国能源部在2015年启动了“核项目加速创新门户”（Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear program），开始支持开发小型高温反应堆的企业，Triso燃料的时代似乎已经到来。但只剩下一个问题：没有人生产它。

自20世纪80年代中期以来，受铀价格和需求下降的刺激，美国的核燃料生产能力一直处于自由落体状态。但在2003年，BWXT与能源部合作生产用于测试的Triso燃料，并证明如果需求增加，它可以大规模生产这种燃料。当时，布什总统正在推动美国即将到来的“核复兴”，但这一宣布结果为时过早。再经过15年，美国联邦政府向一批核能初创企业注入了数亿美元的资金，复兴才开始实现。直到2019年10月，BWXT才宣布重启Triso生产线，为未来几年将上线的下一代高温核反应堆提供燃料。

“在不久的将来，我们会看到对新反应堆的大量需求，”杜林说，“到20世纪20年代末30年代初，Triso将成为主流的燃料类型。”

BWXT是美国仅有的两家开发用于商业生产的Triso燃料的公司之一，它还向美国政府提供用于其实验性3D打印核反应堆的Triso燃料。另一家公司，总部位于马里兰州的X-energy，在核能业务上相对较新，但自2019年年初以来，一直在橡树岭国家实验室运营一个试验性Triso生产设施。

将未加工铀转化为Triso是一个多步骤的过程，首先将开采的铀矿石或从武器级材料中提取的铀与化学物质混合，使其变成凝胶状的珠子。这些珠子，每个直径只有1毫米，稠度相当于软心豆粒糖，然后将其放入一个熔炉中，炉内注入气体，在铀核周围沉积一层薄薄的石墨和碳化硅。其结果是大量不可摧毁的Triso燃料颗粒被压成圆柱形或球形燃料丸。

BWXT制造的燃料丸更为传统——是一个子弹大小的小圆柱体，而X-energy公司将其Triso燃料注入一个弹球大小的闪亮银色球体中。X-energy首席执行官、前美国能源部副部长克莱•塞尔（Clay Sell）喜欢称它们为“能量球”，并表示它们将用于为该公司的新反应堆Xe-100提供燃料。

Xe-100是一个小型的球形燃料反应堆，其设计功率仅为75兆瓦。（为了进行比较，目前美国运行中最小的核反应堆的发电量约为600兆瓦。）X-energy公司负责燃料生产的副总裁皮特•帕帕诺（Pete Pappano）将其比作一台口香糖机。“能量球穿过核心，从底部出来，然后回到顶部。”帕帕诺说。Triso球需要大约半年的时间来完成反应堆内部的循环。在需要更换之前，它可以穿过核心6次。

还有其他好处。塞尔认为，未来使用Triso燃料的核电站不需要在反应堆周围留出数英里的空地，而是可以靠近用户。“在物理上，Triso在反应堆中熔化是不可能的，它违反物理定律，”赛尔说，“当你从一个不能熔化的反应堆开始，你的安全状况就完全改变了。”这就是为什么国防部今年与X-energy和BWXT签署了一项协议，为偏远的军事基地开发一个小型移动核反应堆，也是美国宇航局考虑将Triso燃料用于核动力航天器的原因。

与其他所有先进商业核反应堆一样，Xe-100目前正在接受核管理委员会的审查。帕帕诺说，这是一个漫长而艰巨的过程，但如果监管机构予以批准，X-energy公司准备在这个十年末之前对反应堆进行全面的演示。与此同时，X-energy公司和BWXT公司都在致力于扩大他们的Triso生产设施，这样当下一代核反应堆出现时，他们将拥有使熔毁成为历史的燃料。

资料来源 Wired