美国核燃料电池

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尼米茲级艾森豪威尔号核动力航空母舰米茨级艾森豪威尔号核动力航母空

近日，美国媒体称，国防部长办公室(OSD)已为一项名为Pele的科研项目申请了6000万美元，该项目旨在开发一种新型移动核反应堆，为美国国防部(DOD)的各种任务提供高输出功率支持，并实现更灵活的部署。这个可以算是大型核动力“充电宝”的东西，到底是美国国防部异想天开、滑稽可笑的发明，还是确实有可能成为现实的未来黑科技？

这个项目能否实现，恐怕现在知道还为时过早。根据美国国防部公布的文件，目前6000万美元的预算主要用于开发一种名为TRISO的核燃料。在这个研发阶段，这种移动式核反应堆的原型不会被制造出来。也就是说，按照预算，在2022年底之前，我们是看不到这个核动力充电宝的实物的。

但是，纵观整个项目，最有技术含量的其实是新型核燃料。因为这个项目要求产品可以灵活调配，只需要一辆卡车就可以把核反应堆“拉满大街”。这种反应器必须能够装入集装箱大小的承重隔间，以满足大多数高速公路的使用规范。为了达到这样的重量和体积，要求核反应堆不能使用笨重的水泥-石墨屏蔽和水冷装置来冷却。

当然，在没有水泥-石墨保护层和水冷装置的情况下，这个核反应堆必须能够安全运行，即使受到敌人攻击也不会出现核泄漏，这显然是一个非常高的要求。如果成功了，核电的安全性可以说是一个突破。

在过去的两次重大7级核事故中——福岛和切尔诺贝利——由于冷却系统泄漏导致堆芯过热熔化，由于爆炸或地震导致保护层开裂，最终造成灾难性的场景。由此可见，核事故中有两个关键问题:保护层是否具有完整的防护作用，散热系统能否保证有效散热。

原则上，核能类似于烧煤。所谓核燃料，就是“煤”通过核裂变产生热量，再通过热交换发电。以往核电站发电时的温度控制，首先是通过增减核燃料棒的数量来实现的。通俗点说，火小的时候加煤，火大的时候减煤。另外，在水冷的帮助下，可以实现热交换，带走大量的热量，达到降温的目的，这和开着水加冷水是一样的。

事实上，核电站的安全主要取决于各部分传感器的正常工作，需要各种机械手段，如增减燃料棒的机械手或加速水流的水泵。事实上，核电站的安全取决于增加这些机械设备并提高其可靠性。同时需要非常厚的屏蔽层来隔离放射性物质。

当然，从福岛核电站的情况来看，如果发生重大自然灾害，人类设计的很多安全措施都有可能被大自然的力量破坏，即使切尔诺贝利没有人为失误，也有可能造成严重后果。这也是各国对发展核电非常谨慎的原因。毕竟“天有不测风云”，很难完全避免人为失误。一旦发生重大事故，后果会太严重。

然而，核动力充电宝这种听起来像科幻的技术，在可预见的未来有可能实现吗？似乎很有可能。美国这个项目要研发的TRISO核燃料其实是最新的安全核燃料，技术非常成熟。TRISO确实是一条从根本上解决核事故问题的路径。这种核燃料的革命性技术是分装过程。

以前的核燃料棒需要一个外部屏蔽层来隔离放射性，所以每次更换核燃料都很麻烦。然而，TRISO燃料实际上是一种自带屏蔽层的燃料，即它将颗粒状的铀、碳和氧结合在一起，并用碳基陶瓷材料包裹起来。然后，这些封装的颗粒被压制成球形物体，成为单个燃料球。换句话说，每个放射性粒子都有一个屏蔽层，千千成千上万个这样的受保护粒子形成了一个燃料球。这个燃料球最终没有放射性。即使球被炸开了，散落的粒子仍然受到保护。

这确实从根本上解决了安全问题，因为除非同时破坏了粒子的保护层，否则不可能出现像福岛或切尔诺贝利那样的连锁的、不可控的核灾难。这种技术的另一个优点是可以用空气体完全降温，因为核燃料球没有辐射，只是一个会自动升温的金属球。这当然会大大减小整个反应堆的体积，并使运载工具成为可能。

这项技术的原理其实并不复杂。其实早在20世纪60年代就有人提出过关于它的想法，但是当时的加工技术并不好，所以TRISO燃料很长一段时间都很难生产，而且价格昂贵。2015年，美国能源部提出了新的能源战略，包括加强对核电技术的投资。

美国中小企业X-Energy长期专注于安全核燃料的技术开发。通过政府资助，它开发了一种新的TRISO封装工艺产品，名为Triso-X，X-Energy声称TRISO-X是最安全的核燃料之一，其制造成本和生产规模都达到了实用化的可能性。

美国国防部希望X-Energy的制造技术可以提供给其他合作伙伴，以生产更多的TRISO燃料，并进一步提高其安全性。此外，如何使核反应堆小型化并实现快速部署也是需要解决的关键问题。

贝利项目希望开发出1-5 MW输出的反应堆，可以满功率运行三年。此外，反应堆必须设计成在交付后3天内运行，并能在7天内断电运走。从发电量来说，这种移动反应堆并不大，因为核潜艇使用的核反应堆一般都超过200兆瓦。然而，这样的反应堆已经可以为一个大约4000人的小镇供电一年，并可以将一个旅规模的作战部队的燃料需求减少一半左右。除此之外，这种核动力装置有望直接安装在空日飞行器上，帮助其实现几乎永久的空中段动力。

从这个角度来看，这种核电“充电宝”很有可能在未来实现。毕竟关键技术已经进入成熟阶段。