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不仅用在航天,洛斯阿拉莫斯的微型反应堆还可以拯救美国大兵

北极蚊子 2018-9-26 18:04

作为全球部署的军队,美军经常要穿过战争区域运送燃料,没有比这更危险的事了。2009 年,美军发现在阿富汗每 24 次燃料护送就有一名士兵死亡。燃料运输主要用于发电,那么如果有更好的方式来远程发电,就会极大减少军队伤亡。

洛斯阿拉莫斯国家实验室和西屋电力公司共同研发的新型微型核反应堆可能是一种解决方案。该微型反应堆具有固有安全性,以热管技术为基础,没有冷却水和冷却泵。为了防止熔毁,它采取被动调节系统,可以在 10 年内安全产生 1 兆瓦以上的稳定功率。1 兆瓦的电功率足够一个旅的兵力(1500 至 5000 人)的日常使用了。

图丨微型反应堆的大小,可以放在集装箱内(来源:Los Alamos National Laboratory)

最重要的是,它很小。反应堆堆芯大约有路边垃圾桶大小。整个微型反应堆系统可以放在卡车或者小船上。它足够小,可以带到偏远地区和岛屿,极大减少了派遣燃料车队进入危险地带的需要。

这些技术已经沿用数十年了,所以它们是安全可靠的。但之前没办法将这些技术整合到一个有效的系统中。现在,我们可以利用先进的制造技术和计算工具来建设安全、简单而又小型化的新一代可移动电力系统。

这种微型反应堆起源于洛斯阿拉莫斯实验室的一个项目,NASA 希望洛斯阿拉莫斯研发一个小型反应堆,有朝一日能为火星或月球的殖民地提供电力。用于火星的反应堆名为 Kilopower,约有手提箱大小,电功率为 1 至 10 千瓦。它的一个关键性能是自动调节:Kilopower 反应堆依靠固有的物理现象进行自然调节,使其功率输出满足电力需求。被动式热管可以驱动多个发动机发电。在内华达国家安全区的国家临界实验研究中心(NCERC),研究人员对整个系统的缩小版本进行了测试。

当然,除了火星之外,我们还可以考虑将该技术应用于地球。微型反应堆就是我们的解决方案。它可以独立运行,也可以轻易地与其它能源混合使用,比如能量输出波动很大的新能源。

工作原理

微型反应堆的核燃料是低富集度的非武器级别的铀。燃料用一块整钢封装,形成亚临界堆芯。堆芯周围是中子反射板,并包含有简洁的停堆棒,可以根据需求控制堆芯临界。利用高温碱金属热管可以将裂变反应释放的热能有效转移出去。热管技术在上世纪 70 年代就广泛地在地球和太空中应用。热能最终被转换为电能,并为用户输送电力。

微型反应堆最初的概念设计是利用实验室的研发资金资助的。NASA 资助的是 Kilopower 太空反应堆的研发,西屋电气和能源部的技术转型办公室及 ARPA-E 则为 Kilopower 升级为地球版本的微型反应堆提供资金。

一旦部署完成,微型反应堆系统可以在装置抵达后的 72 小时内安装、连接并输出电力。反应堆可以在一周之内停堆、冷却、断连并转运出去。反应堆堆芯及所有其它关键设备都安装在特殊装甲内,可以防止反应堆系统受到攻击,还能在运行及运输中屏蔽堆芯辐射。基础设计已经技术成熟,而且进行了小规模示范。通过与西屋等经验丰富的核供应商合作来设计、建设并测试这些装置,为军方提供远距离供电方案的目标很快就能实现。

除了军事基地外,微型反应堆对灾区也有很大帮助。飓风、地震等自然灾害发生时,电力设施是最先受损的。2017 年,飓风“玛利亚”导致 150 万波多黎各居民断电数月之久,将近一年之后电力系统才完全恢复。随着极端天气事件的发生频率增加,更大范围的断电有可能会发生,政府不得不寻求快速而又经济的供电方案。

5 年之内,这些微型反应堆就能做好部署的装备。我们从一开始就取得了积极成果。更多电力将被安全输送到偏远区域,这提醒我们,好的东西,尤其是救命的东西,应该是小型化的。