美国要搞核动力“充电宝”

朱江明

尼米茲级艾森豪威尔号核动力航空母舰

近日，美国媒体称，国防部长办公室 （OSD） 已为一个名为贝利（Pele）的科研项目申请了6000万美元，该项目旨在开发一种新型可移动核反应堆，为美国国防部 （DOD） 各种任务提供高输出的电力支持，并且能够进行更机动的弹性部署。这个可以被视为大号核动力“充电宝”的东西，到底是美国国防部异想天开的搞笑发明，还是确实有可能成为现实的未来黑科技呢？

现在要解答这个项目到底能否实现恐怕还为时过早。根据美国国防部公布的文件，当前阶段的6000万美元预算主要用于研发一种名为三结构同位素 （TRISO）的核燃料。在现阶段的研发中，并不会制造这一移动核反应堆的样机。也就是说，根据预算来看，2022年结束前，我们都看不到这个核动力“充电宝”的实物。

然而，纵观整个项目，最有技术含量的其实就是新型核燃料。因为这个项目要求产品能够机动部署，并且只需要一辆载重卡车就能拉着核反应堆“满街跑”。这个反应堆必须能够塞进一个货柜那么大的承载舱之中，以满足大部分公路的使用规范。要达到这个重量和体积，要求核反应堆不能使用笨重的水泥-石墨结构屏蔽保护层和水冷装置来降温。

当然，在没有水泥-石墨保护层和水冷装置的情况下，这款核反应堆还必须能够安全运转，甚至遭到敌方的攻击也不能出现核泄漏，这显然是非常高的要求，如果成功，那核动力的安全性可以说是突破性的。

在过去的两次七级重大核事故——福岛和切尔诺贝利事件——中，都是由于降温系统出现纰漏，导致堆芯过热融化，而保护层也因为爆炸或者地震出现裂痕，最终造成了灾难性的场面。由此可见，核事故最关键的问题就两个：保护层是否具有完整保护效果，散热系统是否能够保证有效散热。

从原理上来看，核动力其实跟烧煤差不多，所谓核燃料就是“煤块”经核裂变产生热量，从而通过热交换来发电。过去核电厂在发电过程中的温度控制，首先是通过增减核燃料棒的数量来实现，用通俗的话来说就是，火小了加煤，火大了减煤。除此之外，借助水冷可以实现热交换，还可以带走大量的热量实现降温，这就跟水开了加凉水道理一样。

所谓核电站的安全性，其实主要依赖各部分的传感器正常运作，需要各种机械手段，如增减燃料棒的机械手或者加速水流的水泵等等。核电厂安全其实就靠增加这些机械设备和提升它们的可靠性来实现。与此同时，还需要非常厚实的屏蔽层来隔绝放射性物质。

当然，从福岛核电站的情况来看，如果遭遇重大自然灾害，人类设计的重重安全措施都可能被大自然的力量所摧毁，即便是没有切尔诺贝利事件中的人为操作失误，也可能造成严重后果。这也是各国对发展核电都非常谨慎的原因，毕竟“天有不测风云”，人为操作失误也很难完全避免，一旦出现重大事故，后果实在太过严重。

然而，核动力“充电宝”这种听起来很科幻的技术，有可能在可见的将来实现吗？可能性似乎非常大。美国在此次项目中要研发的TRISO核燃料，实际上是一种技术已经非常成熟的最新安全核燃料。TRISO确实是个从根本上解决核事故问题的路径。这款核燃料的革命性技术是分装工艺。

过去的核燃料棒需要通过一个外置的屏蔽层来隔绝放射性，所以每次更换核燃料都非常麻烦。然而TRISO燃料其实是个自带屏蔽层的燃料，就是把粒子状的铀、碳和氧组合在一起，并且使用碳基陶瓷材料包裹起来，然后再把这些已经封装好的粒子压制成球状物体，成为一个单独的燃料球。换句话说，每一个放射性粒子外面自带一圈屏蔽层，千千万万个这种已经保护好的粒子组成一个燃料球。这个燃料球最终没有任何放射性，即便把球炸开，散落的一个个粒子仍旧在保护之下。

这确实从根本上解决了安全问题，因为除非粒子的保护层被同时摧毁，否则根本不可能出现福岛或者切尔诺贝利那种连锁且无法控制的核灾难。这个技术带来的另一个好处就是完全可以用空气降温，因为核燃料球没有辐射，只是一个会自动发热的金属球体而已，这当然会极大地减少整个反应堆的体积，让车载成为可能。

这种技术的原理其实并不复杂。实际上，早在1960年代就有人提出关于它的构想，只是当时的加工工艺不行，因此在很长一段时间内TRISO燃料难以生产，且成本昂贵。2015年，美国能源部提出了新的能源战略，其中就包括加强核动力技术投资。

一家名为X-Energy 的美国中小型企业由于长期专注于安全核燃料的技术开发，通过政府资助开发出新的TRISO 封装工艺产品，被称为TRISO-X。X-Energy 声称，TRISO-X是最安全的核燃料之一，且制造成本和生产规模已经达到了实用的可能。

美国国防部希望X-Energy的制造工艺技术能够提供给其他合作伙伴使用，用于生产更多的TRISO燃料，并且进一步改进其安全性。除此之外，如何小型化核反应堆并实现快速部署，也是要解决的关键问题。

贝利项目希望开发一个 1 - 5兆瓦输出的反应堆，该反应堆可以满功率运行三年。此外，反应堆必须设计为在交付后3天内运行，并能在7天内断电运走。从发电功率来看，这款移动反应堆并不大，因为核潜艇使用的核反应堆一般都超过200兆瓦。然而这样一台反应堆已经可以为4000人左右的小镇供应一年电力，并且能让一个旅级规模的作战部队减少一半左右的燃油需求。除此之外，这款核动力装置有望直接装在空天飞机上，帮助其实现几乎永久的空中飞行动力。

由此看来，这款核动力“充电宝”在未来实现的可能还是相当大的，毕竟关键技术已经进入成熟阶段。