互动科普

数十年来，核反应堆的设计始终都是一种方案占据统治地位，而某些可能具有更优良特性的方案却被束之高阁。现在，替代方案或许终于将出人头地、大行其道了。

撰文：M·米切尔·瓦尔德罗普（M. Mitchell Waldrop） 翻译：郭凯声

早在2000年，当基克·索伦森（Kirk Sorensen）作为美国航空航天局（NASA）的工程师，在考虑未来人类移民月球时，该采用何种核动力方案时，他无意中看到一本介绍熔盐反应堆的书（所谓熔盐反应堆就是核燃料为液态的一种反应堆）。

索伦森觉得这听起来似乎够古怪的。他听说过的每一种反应堆——首先便是目前在整个核电行业占主导地位的轻水反应堆——使用的都是某种形式的固态铀燃料。不过这本书介绍说，大约30多年前熔盐技术便已经在美国橡树岭国家实验室得到了验证，并宣称含铀或钍的液态燃料优点明显。比如，熔盐反应堆不会发生灾难性的堆芯熔毁事故，而且这种反应堆不会产生混有钚和其他长寿命放射性同位素的核废料，因为它可以把这些同位素消化得一干二净。

索伦森指出，熔盐反应堆的好处多得说不完。事实上，与轻水反应堆相比，熔盐反应堆的构想，“有能力以一种漂亮得多的方式，一举解决核能行业遇到的几乎所有问题”。既然如此，为什么我们一开始没有采用它呢？

过去10年中，许多人都在问这个问题，而且不单单是围绕熔盐反应堆。由于美国研发机构内部各种研发议题之间反复博弈的结果，这项特殊的反应堆技术在1976年被放弃了。不过它只是在核电商业化的首波浪潮中被打入冷宫的几项替代技术之一，其他遭遇厄运的技术包括同熔盐技术一样可以烧尽核燃料的快中子反应堆（快堆），以及能够实现对工业界零碳供热而大大降低温室气体排放量的高温反应堆。综合运用这些替代技术，有可能克服核能几乎所有——甚至是全部——的弱点。但是数十年来，由于研究议题变化无常，研究拨款时多时少，研究人员对于这些反应堆技术的态度充其量也就是忽冷忽热。

现在情况或许很快就会有变化。过去10年中，由于需要一种安全的无碳能源（特别是在中国等高速发展的国家），各国政府对替代核技术的兴趣大增。而产业界也开始大力促进某些设计的复苏，并将其推向市场。乐观派认为，即使是日本福岛核电站发生的核灾难，最终也将为更安全的替代型反应堆进一步打开市场。从Flibe能源这样的新兴高科技企业，到通用电气—日立核能之类的业界巨鳄（前者是索伦森2011年在亚拉巴马州亨茨维尔创建的公司，着眼于熔盐反应堆的产业化，后者正在开发一种商用快堆），各企业都希望做好准备迎接市场机遇。

但这些核能技术东山再起之路并不平坦。虽然基本设计几十年前就搞出来了，但想要把设计转化为实际产品，工程师还得做许多工作，例如开发抗辐射的材料、制造效率更高的热交换器及更好的安全系统等，而且还必须向主管部门证明这类系统能够可靠地运作。美国马萨诸塞州忧思科学家联盟（Union of Concerned Scientists）的资深全球安全分析专家埃德温·莱曼（Edwin Lyman）指出：“核能堪称烧钱大户，而且见效很慢。此外它的风险也非常高，因为必须考虑安全因素。”

但是参与者们有一个共同的信念：要使核能行业有一个光明的未来，其全部希望就在于深刻反省它的过去。索伦森在谈及当年熔盐研发计划被封杀时指出：“那时没有一个人提醒大家，‘或许我们犯了个错。说不定我们应该回过头去反思这一决定。’”

最先不一定最好

轻水反应堆之所以能大行其道，并非因为它是最好的技术，而是因为它是最先问世的技术。轻水堆方案当初是在20世纪40年代后期研发出来的，用作核动力舰船及潜艇上的小型动力装置。所谓“轻水”其实就是普通的水（H2O），它从反应堆的堆芯中流过，吸收堆芯产生的热量并传递给常规的蒸汽轮机，蒸汽轮机再将热能转化为电能（见图“核电的基本原理”）。

最终，轻水反应堆不可避免地被纳入了一个更大的系统中，该系统可以克服核反应堆一个根本性的低效问题。任何核反应堆单独运行都会很快发生“中毒”现象，也就是随着链式反应的持续进行，铀原子分裂后留下的碎片在核燃料中不断积累，而它们又会越来越多地吸收维持链式反应所需要的中子。经过大约18个月后，核燃料就被“耗尽”，必须更換，即使它的原始能量还剩下不少。

“因此人们始终有这样的想法，要建立一个核废料再处理的基础设施，以便能够尽可能多地回收利用核燃料的能量，”美国能源部核能办公室前主任、现美国核能管理委员会成员威廉·马格伍德（William Magwood）说。一个世界规模的再处理设施网络将在接收核废料后，通过化学方法提取出仍可利用的成分（绝大部分是铀235，再加上一些不能裂变的铀238在捕获中子后所形成的钚239），并将其转化为新的反应堆燃料。此计划最终演变成了旨在尽可能提高钚产率的新一代“增殖型”反应堆。此反应堆产生的唯一废料将是相对较少的高放射性裂变产物，它将在若干世纪内衰变，并且可以在精心设计的混凝土地下室内等地方安全地处理掉。

马格伍德指出，在整个20世纪60年代和70年代初期，这一构想是美国占主导地位的核能发展战略，以致主管部门终止了对非增殖反应堆方案（包括熔盐反应堆）的大部分研究拨款。此后增殖反应堆方案突飞猛进：目前全球运行的437座核反应堆中，就有356座是轻水反应堆。

但在1974年5月，印度试爆了一枚用钚制造的核弹，而它的钚是从反应堆燃料中提取的。于是突然之间，世界各国政府不得不面对这样一种地缘政治的现实：大规模的商用回收处理将导致严重的核武器扩散。由于每座回收处理设施都将处理数以吨计的武器级钚，检查人员如何能够保证没人偷偷转移制造一件核武器所需的4～6千克钚？

因而，1977年4月，时任美国总统卡特下令禁止商用回收处理。几年后，时任总统里根取消了这一禁令，但是商用回收处理设施的成本已经高得令人望而却步，以致从那时以来，只有两座商用回收处理设施投入运行（两座均在法国）。既然商用回收处理已淡出江湖，那么增殖反应堆就没多大意义了，因而对其研究也基本停了下来。此外，工程师们还发现，他们面临着一个更加复杂的核废料处理问题：由于钚239的半衰期长达24 100年，现在他们必须让数万吨核废料在几百个世纪里保持与世隔绝的状态。至今还没有人想出办法来确保这一点。

与此同时，20世纪70年代人们对安全的担扰也大大增强了。如果轻水反应堆中水的流动因某种原因中断，热量就会在堆芯中积累，无法散发出去。即使通过机械操作关闭反应堆，裂变产物仍然能够通过放射性衰变产生出足以使燃料熔化并逸入环境的热量。所有轻水反应堆都配备了应急备用冷却系统，但如果此系统本身出了故障又怎么办？这一担忧在1979年3月变成了现实——美国宾夕法尼亚州哈里斯堡近郊的三里岛核电站冷却剂意外流失，导致堆芯部分熔毁。而2011年3月，日本福岛核电站堆芯完全熔毁，更是证实了这种担忧是有道理的。

第二次机会

三里岛核电站事故发生后，公众与政界的强烈反应导致全球掀起了一股持续20多年的打压核电运动。电力公司纷纷抛弃了它们的核电发展计划，取消了几乎所有的反应堆订单。至于探索新的技术，核电行业则更是退避三舍。

既然核电行业对此没有什么兴趣，而部署的希望实际上又几乎等于零，高级反应堆研究工作就得在变化不定的研究方向，和时有时无的研究资金中苦苦挣扎。“如果你三天打渔，两天晒网，就很难做出规划并进行高级的工程研发，”威斯康星大学麦迪逊分校的核工程师米切尔·科拉迪尼（Michael Corradini）说。

进入2000年前后，这种局面才开始有所转变。“核电建设已经在中国和南亚遍地开花——不产石油和天然气的地方都在搞核电，”麻省理工学院（MIT）核工程师查尔斯·福斯贝格（Charles Forsberg）回忆道。（目前世界各地有64座反应堆在建，还有数百座反应堆已列入规划。）气候变化也促使美国和欧洲再次对核技术产生了兴趣。由于风能和太阳能发电输出不稳定，因此，“如果你想摆脱化石燃料，就得认真制定一个核电发展规划”。

反应堆方案大比拼

核电重新获得重视所带来的结果之一就是美国2010年的核电规划。这项规划由美国能源部在2002年宣布，并由政府与产业界分担成本，旨在扶助制造商开发具有高级安全功能（比如在发生事故时，能够通过重力和自然对流使冷却剂保持流动）的轻水反应堆，并通过许可证贸易转让其技术。目前世界各地正在规划建设若干座这类反应堆。

美国能源部2012年推出了成本分担的“小型模块式反应堆”开发计划，为一些更加激进的反应堆设计方案提供了机会。这项计划的目标是摆脱目前那种造价动辄达百亿甚至150亿美元的千兆瓦级核电站，转而建造250兆瓦或以下的核电站。这种电站小得可以在工厂里批量建造并运送到目的地。4家拥有高级轻水反应堆设计方案的反应堆供应商为赢得能源部合同展开了竞争。2012年11月20日，以北卡罗来纳州夏洛特的巴布科克和威尔科克斯公司为首的一个企业集团拿下了合同。

不过彼得森指出，其他方案也可能带来好处。“如果我们能够催生出一个轻水版小型模块式反应堆的市场，那么这将使原型高级反应堆市场的发展容易得多”。电力公司在对新技术进行实验时，只须将另一个模块插入即可。如果它能正常运行，那当然很好，如果行不通，也没多大损失。“这样就可以降低总的风险阈值，”彼得森说。

最有希望的插入式模块技术当数高温反应堆。顾名思义，它们产生的蒸汽温度远高于轻水反应堆（前者产生的蒸汽可高达1,000℃，而后者仅有300℃左右）。这需要对反应堆设计做出某些根本性的变革，例如采用氦气而不是水来吸取堆芯产生的热量，并使用由铀的氧化物及碳化物制成的耐热燃料。

这样的反应堆不可能发生熔毁事故，因为燃料在高达1,600℃时仍然保持稳定，而这一温度比供电彻底中断、冷却剂完全流失的情况下堆芯所能达到的温度还要高数百摄氏度。高温将使反应堆的发电效率更高。此外，这也有助于降低为工业生产供热的碳排放。在美国，大约23%的能源是用于石油裂解及塑料制造等工业生产，其中许多流程需要至少700℃的温度。目前这样的温度一般是通过烧天然气来达到的，而高温反应堆则可以提供一个零碳版的替代高温源。

许多商用高温反应堆正在世界各地发展。不过，2012年，由若干石化公司和反应堆制造商组成的一个企业集团一致同意，力挺法国AREVA公司提出的Antares高温反应堆方案。“目前剩下的工作就是，为了使这项技术获得美国核能管理委员会的批准而需要进行的施工设计和技术授权事宜，这些工作大概需要8亿美元的费用，”美国陶氏化学公司供电供汽部门的负责人弗雷德·莫尔（Fred Moore）说。据他估计，这将需要5～7年的时间。如果一切按计划进行，高温反应堆将跻身于从本世纪20年代开始投入使用的首批高级反应堆之列。

而紧随其后的则是快堆。快堆可以搞定高温反应堆难以应付的核废料问题。它能将核废料转化为能量，从而大大减轻核废料处理的负担。

裂变中子刚刚从原子核中释放出来时，平均能量为200万电子伏左右，属于“快中子”。在轻水反应堆中，中子与冷却水中的氢核碰撞后速度很快减慢，平均能量会降至几分之一电子伏，这使它更容易引发下一次裂变反应。但是慢中子有一个缺点：它在撞上目标铀核后往往不是使铀核分裂，而是被铀核所吸收，从而使铀核变为长寿命的同位素如钚、镎、镅、锔或其他重元素的同位素，而这些同位素将让核废料的处理变成一场噩梦。相比之下快中子则很少会被吸收。快中子撞上目标铀核的机会并不高，但一旦撞上，就几乎肯定会使目标铀核分裂。因此，快堆不仅可以避免产生长寿命同位素的问题，甚至还可以彻底干掉核废料中的长寿命同位素。

然而据彼得森说，建造快堆是一项棘手的事。其中一个重要原因在于快堆必须用液态钠或其他不会像水那样使中子减速的物质来冷却。这可能使快堆变得庞大而笨重。此外他还指出，建造热交换器以生产动力涡轮机所用的蒸汽也极具挑战性，因为钠一遇到水分就会与其发生剧烈反应，产生出具有爆炸性的氢气。彼得森说研究人员目前正在积极考察使用一些不那么活跃的物质来进行冷却，比如铅和超临界的二氧化碳等。

不过，这些年来已有约20座快堆在运行——其中许多采用了20世纪70年代的增殖堆设计方案，此方案的目标是尽量多地生产钚而不是将其消耗掉——而且至少有4家制造商在开发使用核废料的小型快堆。一个突出的例子就是通用电气-日立公司开发的“超级动力反应堆新式小型模块（S-PRISM）”。它基本上就是在一个小型钠冷快堆的基础上整合了一套回收装置，此装置在接收反应堆的核废料后，就清除掉会使核反应中毒的裂变产物，并把处理后的燃料重新放入反应堆中。它在任何阶段都不会分离出适合制造核武器的钚。

通用电气—日立公司高级反应堆研发负责人埃里克·洛温（Eric Loewen）认为，快堆的市场潜力巨大。“我们正在与英国合作进行一项可用性研究，将接收英国再处理设施产生的100吨钚并把它转变为一种能源，”他宣称，而在美国和其他国家，“我们期望建立一批高级回收中心”，每个中心配备六台S-PRISM反应堆和一套回收装置，其处理速度足以赶上1～3台轻水反应堆产生废料的速度，同时还可以把目前滞留在储藏库中的积压核废料全部消化掉。

建设这样一个回收网，费用不是个小数目。但洛温认为，最大的挑战其实是政策问题。他同意福斯贝格和其他许多专家的看法：现在最需要的是出台一个政策框架，使人们把核废料视为一种资源而不是亟待扔掉的废物。

熔盐反应堆

固态反应堆燃料的突出优点在于，其几何尺寸是可预测的，而突出的缺点则在于其复杂性。中子轰击的强度、裂变产物的分布以及核燃料晶体结构所遭受的辐射损伤等，一切都在变化。这种情况始终是令设计人员头疼的一个老大难问题，因为设计人员想要确保反应堆的稳定运行，并且试图说服主管部门相信，即使是最严重的堆芯熔毁事故，也不会导致核燃料的任何一部分坍缩到临界质量。

然而，如果燃料是液态的，那么所有这些问题都将迎刃而解。这正是橡树岭国家实验室早在上世纪60年代就打算开发熔盐反应堆的主要原因。所谓“熔盐”指的是核燃料（通常为四氟化铀），当它与FLiBe（氟化锂与氟化铍的混合物，用作冷却剂）混合后，在运行温度下将呈液态。“这是一个巨大而安静的罐子，”福斯贝格说，“你把核燃料扔进去，它就会混合均匀，总成分一点不会改变。”

索伦森指出，液态燃料还有一个显著优点：“你无须把燃料从反应堆中取出来，它自己就会被消化得一干二净。”燃料会在一台外部回收装置中循环，回收装置不断提取出裂变产物以防燃料中毒。他又说，这种方案还能采用一个非常巧妙的安全高招：在反应堆的底部开一个孔，用一块固体燃料将孔塞住（一台冷冻机使该燃料保持固态）。如果反应堆在紧急情况下电源中断，冷冻机将停止运行，这个塞子就会熔化，让核燃料安全地流到地下的存储罐中。最后，熔盐反应堆能够适应多种核燃料，从常规的铀到未经处理的核废料或钍，而地球上钍的储量大约是铀的三倍。

尽管有这些优点，让熔盐反应堆在隐退40年之后东山再起仍是一项艰巨任务。“我们必须重新建立起现在已经消失了大部分的知识库，”索伦森说。不过他创建了Flibe能源公司来试水这项工作。该公司正在研发一种40兆瓦的反应堆，它可能用于军事基地上，使军事基地不依赖电网也能独立运作。

可靠的机会

2011年9月，福斯贝格、彼得森、麻省理工学院核反应堆实验室副主任胡林文（Lin-wen Hu）以及威斯康星大学麦迪逊分校的核工程师托德·艾伦（Todd Allen）被聘为一项为期3年、由美国能源部赞助的研发项目的首席科学家。此项目的目标是研发以FliBe为冷却剂的高温反应堆，它有可能成为通向熔盐反应堆的重要一步。彼得森指出：“还没有人建造过盐冷型的固体燃料反应堆”。但如果此项目获得成功，那么其反应堆堆芯的大小就可以仅相当于其他方案中堆芯大小的1/4或1/5，而且，由于FliBe这种盐非常稳定，它的温度“始终都会比破坏反应堆的极限温度低几百摄氏度。”

彼得森还说，Flibe 能源公司可能在10年内就造出一台试验堆，但“前提是要有充裕的资金”。这是一个很成问题的前提条件：全球经济危机使得所有高级反应堆都更难拉到赞助经费了。而且，科拉迪尼指出，美国页岩气开采突然多了起来，“廉价的化石燃料已经推迟了美国的许多清洁能源研发项目，不仅仅是核能”。

华盛顿核能研究所贸易部发展政策负责人保罗·格罗亚（Paul Genoa）持长远的观点。“作为起步阶段，我们首先建造的是轻水反应堆，”他说。然后，到21世纪20年代，安全性更高的高级轻水反应堆将粉墨登场，紧随其后亮相的将是高温反应堆，它有助于进一步减少碳的排放。“此后我们将建造快堆以把核废料消化掉”。

格罗亚认为，熔盐反应堆是个多少有点难以预测的变数，但值得开发。某些更难预测的反应堆方案目前也在研究考察当中，一个突出的例子就是加速器驱动的反应堆，它通过高能粒子加速器产生的中子来驱动裂变反应。它可以用钍作燃料，一旦关掉加速器反应堆就会立刻停止运行。

但核能真的会发生变革吗？这个行业中的人有理由感到乐观，特别是气候变化带的日益明显的后果，迫使各国政府不得不对碳排放采取行动。格罗亚指出，甚至是福岛核灾难，最终也可能会推动新型核技术发展。“这一灾难让人们大为惊恐，让他们更加关注核能，”格罗亚说。不过一旦他们进一步了解情况后，“就发现‘嗨，那些是30年高龄的老厂了。’”他认为，新型的智能反应堆迟早会具有大得多的吸引力，令人刮目相看。