核發(fā)電箱：能源領(lǐng)域的革命

劉秉軍

美國航空航天局（NASA）的便攜式核發(fā)電箱正在開發(fā)之中，計劃于2022年為美國探測火星提供支持。提到核電，人們首先想到的是龐大的核反應(yīng)堆、發(fā)電設(shè)施和厚重的混凝土建筑。其實，科技強國都致力于核電設(shè)備小型化研究，從能在海上機動的小型浮動核電站，到能放在手推車上攜帶的便攜式核發(fā)電箱，能源領(lǐng)域正在發(fā)生一場激動人心的革命。

緊急供電和機動供電

美國是小型化核動力系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的先行者。1967年，美國建造了世界上第一個小型浮動核電站——“斯特吉斯”MH1A。它于1968年至1975年間向巴拿馬運河區(qū)提供能源，1977年因安全問題廢棄不用。在此后的數(shù)十年間，美國在浮動核電站開發(fā)方面沒有取得什么進展，而俄羅斯和中國都致力于小型核動力系統(tǒng)的開發(fā)，并不斷取得突破。

俄羅斯已經(jīng)建造出排水量為2.15萬噸的浮動核電站。雖然它相當(dāng)于大型船舶，但與龐大的陸上核電站相比還是要小得多。這種浮動核電站裝備兩個KLT—40型核反應(yīng)堆，能提供70兆瓦的電力及300兆瓦的熱力供應(yīng)，可以保障一個人口約20萬的小型城市的電力及熱水供應(yīng)。此外，浮動核電站還能變身海水凈化處理廠，每天能生產(chǎn)24萬立方米淡水。

中國具備開發(fā)建造大型核電站的經(jīng)驗，也擁有成熟的設(shè)備供應(yīng)鏈?；谶@些條件，中國一直在開展核動力系統(tǒng)的小型化研究。中國的浮動核電站正式名稱為“桁架式海上核動力平臺”。它采用模塊化技術(shù)，建造各種不同規(guī)格的模塊，然后拼接起來，形成浮島。其設(shè)計用途比較廣泛：碼頭倉儲、發(fā)電、海水淡化及作為海洋資源開發(fā)保障基地等。

據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報道，中國開發(fā)的浮動核電站的技術(shù)先進性主要體現(xiàn)在模塊化設(shè)計方面：易于安裝、運輸及換料檢修。它能夠提供200兆瓦的能量供應(yīng)，為海上油氣開采、海島開發(fā)等應(yīng)用領(lǐng)域供電、供熱和實施海水淡化。

據(jù)美國《舊金山紀(jì)事報》報道，浮動核電站的發(fā)電能力比陸上核電站要小得多，最多只能達到陸上核電站發(fā)電量的25%。但是，浮動核電站的優(yōu)勢在于能夠?qū)嵤┚o急供電和機動供電。一旦某個沿海城市因遭受臺風(fēng)等災(zāi)害的襲擊而失去供電能力，那么浮動核電站就可以趕赴受災(zāi)城市附近水域，為城市緊急供電，確保居民的生活能源供應(yīng)不受影響，同時確保當(dāng)?shù)仄髽I(yè)能夠盡快恢復(fù)生產(chǎn)。集群化的浮動核電站可確保沿海城市群在受災(zāi)后仍能維持正常運轉(zhuǎn)。

報道指出，近年來颶風(fēng)頻頻對美國沿海地區(qū)造成重創(chuàng)，例如休斯敦市的4萬—5萬戶居民的家園曾遭到嚴(yán)重破壞，城市供電一度中斷。面對沿海地區(qū)經(jīng)常遭受自然災(zāi)害的現(xiàn)狀，美國應(yīng)該像俄羅斯和中國那樣重視浮動核電站的研究，開發(fā)并部署一定數(shù)量的浮動核電站，以確保遭受災(zāi)害的沿海地區(qū)的能源供應(yīng)。

安全性優(yōu)于陸上核電站

陸上核電站的核反應(yīng)堆處于高溫高壓狀態(tài)，具有很高的能量密度。因此，現(xiàn)代化的核反應(yīng)堆（并非切爾諾貝利一類的老式石墨沸水反應(yīng)堆）在設(shè)計之初就充分考慮失控時可能發(fā)生的爆炸，其涉及安全的所有重要設(shè)備都被安置在厚1米以上的鋼筋混凝土壓力殼內(nèi)。即使壓力殼被導(dǎo)彈等武器擊中，也未必會使反應(yīng)堆失控，因為壓力殼內(nèi)有安全模塊（核反應(yīng)堆出狀況時就會啟動）、管道和蒸汽發(fā)生器等設(shè)備。這些設(shè)備中的幾個同時遭到破壞，也在安全設(shè)計的考慮范圍之內(nèi)，可以確保安全系統(tǒng)發(fā)揮作用。一旦核反應(yīng)堆發(fā)生事故，安全設(shè)施可以依靠重力和壓力運作，不必依賴外力和電源，這樣可以避免因喪失電源導(dǎo)致安全防護失效。在安全系統(tǒng)的作用下，核反應(yīng)堆能夠立即停止運行，并避免發(fā)生輻射物泄漏。

那么，相比之下，浮動核電站的安全性能夠令人放心嗎？

據(jù)俄羅斯《能源》雜志報道，海上小型浮動核電站的安全性優(yōu)于陸上核電站。浮動核電站功率較小，設(shè)計上采用更先進的理念，本身固有的安全性更高。它采用緊湊型布局，反應(yīng)堆壓力容器與蒸汽發(fā)生器之間采用短套管連接，可以有效避免大破口事故的發(fā)生。浮動核電站處于遠離陸地的海上，不易受地震的影響，即便發(fā)生地震，震源的地震波也難以被海水傳遞。另外，海洋本身可以作為“應(yīng)急散熱器”，在發(fā)生事故時，浮動核電站可以將海水引入內(nèi)部，阻止堆芯熔化，保證核反應(yīng)堆的安全。另外，在日常檢測和維護方面，浮動核電站也不存在短板。由于海上浮動平臺體積較小，它們可以被牽引到專門的場所進行集中檢測和維護。

足夠25000人使用5年

雖然美國在浮動核電站開發(fā)方面進展不大，但它瞄準(zhǔn)了更小、更便捷的核動力裝置。NASA下屬的未來太空運行工作組（FISO）正在開發(fā)核發(fā)電箱。這種微型核動力裝置能在火星上完成多種任務(wù)，為宇航員提供電力、熱量和氧氣。

據(jù)美國《核能》雜志報道，核發(fā)電箱里面充滿了鈾氫化物，外面用混凝土包裹。它的體積只有一個普通拉桿行李箱那么大，用手推車即可運載。即使加上配套的冷卻系統(tǒng)，其總重量也被控制在1.5噸之內(nèi)，比普通的小汽車還輕。5個核發(fā)電箱作為一個工作組，用一輛卡車就能運輸，而它生成的能源足夠一個25000人的社區(qū)使用5年——這堪稱能源領(lǐng)域具有劃時代意義的產(chǎn)品。

在行星登陸計劃中，美國宇航員可以攜帶手提式核發(fā)電箱進行供電。雖然其功率不是非常大，但恰到好處，可以靈活使用。如果人類計劃登上小行星，那么可以將核發(fā)電箱放置在隕石坑或者洞穴中，一來可保證科學(xué)儀器正常工作，二來可借助外星環(huán)境對核電設(shè)備進行保護。

核發(fā)電箱可以作為氧氣或氫氣發(fā)生器的電源，也可以作為充電設(shè)備，用來給月球車或者火星車充電。它還可以用于其他太空任務(wù)，例如被發(fā)射到國際空間站，作為能量供應(yīng)裝置。

核發(fā)電箱所產(chǎn)生的能量不僅可以用于生產(chǎn)可呼吸的氧氣、飲用水、電力和熱量，還能生產(chǎn)由甲烷和液氧制成的推進劑，用于將飛船發(fā)射到火星軌道上。另外，有了充足的電力，基地的建設(shè)在月球和火星上將變得更快捷、更經(jīng)濟。

NASA計劃在太空和包括火星在內(nèi)的其他行星上使用這種動力裝置。根據(jù)該機構(gòu)的估計，未來的小型火星基地大約需要40千瓦的電力來運行。4個核發(fā)電箱相互連接就可以產(chǎn)生必要的電力。NASA計劃為美國的火星探測小組配備5個核發(fā)電箱，其中一個作為備用能源。

人們可能會有這樣的疑問：核反應(yīng)堆是持續(xù)工作的，停機和啟動都要經(jīng)過復(fù)雜的程序，核發(fā)電箱如何對此進行控制？NASA設(shè)計的小型核反應(yīng)堆具備自我調(diào)節(jié)功能。其核心是一個經(jīng)過改良的部件——將熱能轉(zhuǎn)化為電能的斯特林發(fā)動機。開發(fā)人員創(chuàng)建了一個系統(tǒng)，當(dāng)需要較多電力時，該系統(tǒng)可以自行提高反應(yīng)速度;當(dāng)電力需求下降時，系統(tǒng)可以降低反應(yīng)速度，在不停機的情況下低速運行。

嚴(yán)密的安全操作規(guī)則?

核發(fā)電箱面臨與浮動核電站同樣的問題：它安全嗎？

NASA提供給《核能》雜志的報告顯示，雖然核發(fā)電箱使用核裂變的方式產(chǎn)生能量，但它的安全性極高，不會發(fā)生核泄漏等災(zāi)難性事故。由于這種能量裝置一直在低功耗的水平上運行，因此不會發(fā)生核反應(yīng)堆崩潰的問題。如果有外力作用導(dǎo)致其受損，那么小型核反應(yīng)堆就會立即自動停止工作，以確保安全。

NASA還為核發(fā)電箱設(shè)定了一套嚴(yán)密的安全使用規(guī)則。首先是防觸電。核反應(yīng)堆需要非常高的電壓才能工作，一般會產(chǎn)生高達1萬伏的電壓。宇航員在操作核發(fā)電箱時必須小心，避免自己和他人遭受高壓電擊的傷害。其次是防輻射。雖然核發(fā)電箱的設(shè)計理念非常環(huán)保，幾乎不會產(chǎn)生放射污染，但NASA仍然要求核發(fā)電箱的運輸和使用操作遵循嚴(yán)格的防輻射隔離程序：運輸工具和裝載容器必須加裝防輻射隔離板，操作人必須穿著防輻射服，并配備核輻射探測裝置。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com