為了重振奄奄一息的美國(guó)核能工業(yè)，美國(guó)能源部(DOE)上周宣布，將在7年內(nèi)幫助建造兩臺(tái)全新的核反應(yīng)堆。

這將由國(guó)能源部的新先進(jìn)反應(yīng)堆示范項(xiàng)目（Advanced Reactor Demonstration Program）資助，該設(shè)計(jì)包括一些特殊的設(shè)計(jì)，比如用鈉或氦代替水進(jìn)行冷卻，以期比傳統(tǒng)的電力反應(yīng)堆更安全、更經(jīng)濟(jì)。

愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家反應(yīng)堆創(chuàng)新中心的核工程師和主任Ashley Finan認(rèn)為，這兩種(設(shè)計(jì))完全可以實(shí)現(xiàn)和落地。

能源部將與私營(yíng)企業(yè)分?jǐn)偨ㄔ烀總€(gè)工廠的總成本。每個(gè)項(xiàng)目今年將獲得8,000萬(wàn)美元的資助，在未來(lái)5-7年內(nèi)將獲得總計(jì)4億至40億美元的資助。Ashley Finan稱，該機(jī)構(gòu)今年還打算為不太成熟的創(chuàng)意設(shè)立額外的、規(guī)模較小的獎(jiǎng)項(xiàng)。她表示，將會(huì)從幾個(gè)設(shè)計(jì)中挑選組成一個(gè)專家委員會(huì)，具體人員的名單尚未公布。

這兩項(xiàng)獲獎(jiǎng)設(shè)計(jì)從根本上背離了傳統(tǒng)的動(dòng)力反應(yīng)堆。在核反應(yīng)堆的核心，鈾燃料原子在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中分裂，釋放能量和自由飛行的中子，然后分裂其他鈾原子。而在傳統(tǒng)的動(dòng)力反應(yīng)堆中，能量加熱在堆芯循環(huán)的高壓“冷卻”水。仍然處于壓力下的冷卻水流向外部的蒸汽發(fā)生器，它使水在一個(gè)單獨(dú)的回路中沸騰，產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。

TerraPower公司和通用電氣日立公司(GE Hitachi)的345兆瓦納鹽反應(yīng)堆將使用熔融金屬鈉作為冷卻劑，而不是水。因?yàn)殁c的沸點(diǎn)比水高得多，冷卻劑就不需要加壓，降低了電站的復(fù)雜性和成本。鈉會(huì)把它的熱量傳遞給熔鹽，熔鹽可以直接流到蒸汽發(fā)生器或儲(chǔ)存槽中，儲(chǔ)存起來(lái)產(chǎn)生蒸汽和電力。與傳統(tǒng)的核電站相比，即使在其反應(yīng)堆繼續(xù)穩(wěn)定高效運(yùn)行的情況下，納鹽核電站也可以迅速提高或降低其總發(fā)電量。這可以作為風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源的補(bǔ)充，因?yàn)檫@些能源產(chǎn)生的電力水平不穩(wěn)定，需要平衡。

X-Energy的x -100設(shè)計(jì)屬于高溫氣冷堆，將使用加壓氦氣來(lái)冷卻以鈾為基礎(chǔ)的燃料。這種燃料將不會(huì)被封裝在傳統(tǒng)的金屬包裹的燃料棒中，而是被封裝在“卵石”中——石墨球中注入了無(wú)數(shù)包含鈾的陶瓷內(nèi)核。

這個(gè)反應(yīng)堆就像一個(gè)巨大的粘性制造機(jī)器，里面會(huì)有22萬(wàn)塊小石子，這些小石子會(huì)慢慢穿過(guò)堆芯下降，當(dāng)它們的燃料用完后，會(huì)從底部的一個(gè)匯聚口流出。加熱到750攝氏度，氦會(huì)在二次回路中產(chǎn)生蒸汽來(lái)發(fā)電。

原則上，卵石不會(huì)融化，從而消除了熔毀的風(fēng)險(xiǎn)。每臺(tái)x -100將產(chǎn)生80兆瓦的電力，而一座核電站將由四個(gè)模塊化反應(yīng)堆組成。

這兩個(gè)核電站都應(yīng)該比傳統(tǒng)的核電站更簡(jiǎn)單、更便宜。由于鈉冷卻劑是非增壓的，該反應(yīng)堆需要一個(gè)比傳統(tǒng)反應(yīng)堆更小的密封結(jié)構(gòu)。該核電站還“分離”了反應(yīng)堆和設(shè)施的發(fā)電部分，它們位于儲(chǔ)水箱的相對(duì)兩側(cè)。

TerraPower的工程師、Natrium設(shè)計(jì)項(xiàng)目主管塔拉·尼德?tīng)?Tara Neider)說(shuō)，這些特點(diǎn)應(yīng)該能讓工程師們將昂貴的鋼筋混凝土的使用量減少80%。她說(shuō):“鈉的作用就是使核電站變得更簡(jiǎn)單，從而提高效率。”兩家公司都表示，他們還沒(méi)有為反應(yīng)堆選址。

這兩個(gè)反應(yīng)堆還將不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它將使用濃度更高的鈾235燃料。鈾235是產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的關(guān)鍵可裂變同位素。為了最大限度地降低新燃料或已用過(guò)的燃料被用于制造核武器的風(fēng)險(xiǎn)，水冷式反應(yīng)堆使用的燃料為鈾235的3.5%。鈉和x -100反應(yīng)堆將使用濃縮至20%的燃料，這將使它們?cè)谝慌剂仙线\(yùn)行更久，并從中提取更多的能量。

Ashley Finan稱，美國(guó)目前還沒(méi)有生產(chǎn)這種燃料，但目前的制造商可以相對(duì)容易地制造出這種燃料。她說(shuō)，燃料也很難用于制造武器，部分原因是需要重新注料的次數(shù)較少。

從20世紀(jì)50年代核時(shí)代誕生以來(lái)，工程師們已經(jīng)建造了一些用鈉冷卻的反應(yīng)堆，甚至還有幾個(gè)球床反應(yīng)堆。但問(wèn)題在于設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。TerraPower和X-Energy的目標(biāo)都是制造安全的反應(yīng)堆，并能與更廉價(jià)的能源競(jìng)爭(zhēng)。Neider指出，TerraPower希望鈉廠推出產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格能低于10億美元。

今年，能源部計(jì)劃為更新穎的先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)再頒發(fā)2-5個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。Ashley Finan稱：“能源部希望為這些技術(shù)提供一條前進(jìn)的道路，這些技術(shù)很可能會(huì)改變游戲規(guī)則，但還沒(méi)有完全準(zhǔn)備好進(jìn)行演示。”

對(duì)美國(guó)核工程師來(lái)說(shuō)，在20多年來(lái)美國(guó)只委托建造了一座新的動(dòng)力反應(yīng)堆之后，建造新的先進(jìn)反應(yīng)堆的前景令人興奮。不過(guò)，新項(xiàng)目的未來(lái)將取決于國(guó)會(huì)繼續(xù)提供資金，以及新一屆總統(tǒng)政府的支持。最終，開(kāi)發(fā)商必須證明，核能可以在經(jīng)濟(jì)上與其他形式的電力競(jìng)爭(zhēng)。