核發電箱：能源領域的革命

劉秉軍

美國航空航天局（NASA）的便攜式核發電箱正在開發之中，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堆、發電設施和厚重的混凝土建筑。其實，科技強國都致力于核電設備小型化研究，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電箱，能源領域正在發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開發和應用的先行者。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提供能源，1977年因安全問題廢棄不用。在此后的數十年間，美國在浮動核電站開發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的開發，并不斷取得突破。

俄羅斯已經建造出排水量為2.15萬噸的浮動核電站。雖然它相當于大型船舶，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型核反應堆，能提供70兆瓦的電力及300兆瓦的熱力供應，可以保障一個人口約20萬的小型城市的電力及熱水供應。此外，浮動核電站還能變身海水凈化處理廠，每天能生產24萬立方米淡水。

中國具備開發建造大型核電站的經驗，也擁有成熟的設備供應鏈。基于這些條件，中國一直在開展核動力系統的小型化研究。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，建造各種不同規格的模塊，然后拼接起來，形成浮島。其設計用途比較廣泛：碼頭倉儲、發電、海水淡化及作為海洋資源開發保障基地等。

據英國《新科學家》雜志報道，中國開發的浮動核電站的技術先進性主要體現在模塊化設計方面：易于安裝、運輸及換料檢修。它能夠提供200兆瓦的能量供應，為海上油氣開采、海島開發等應用領域供電、供熱和實施海水淡化。

據美國《舊金山紀事報》報道，浮動核電站的發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電量的25%。但是，浮動核電站的優勢在于能夠實施緊急供電和機動供電。一旦某個沿海城市因遭受臺風等災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城市附近水域，為城市緊急供電，確保居民的生活能源供應不受影響，同時確保當地企業能夠盡快恢復生產。集群化的浮動核電站可確保沿海城市群在受災后仍能維持正常運轉。

報道指出，近年來颶風頻頻對美國沿海地區造成重創，例如休斯敦市的4萬—5萬戶居民的家園曾遭到嚴重破壞，城市供電一度中斷。面對沿海地區經常遭受自然災害的現狀，美國應該像俄羅斯和中國那樣重視浮動核電站的研究，開發并部署一定數量的浮動核電站，以確保遭受災害的沿海地區的能源供應。

安全性優于陸上核電站

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

那么，相比之下，浮動核電站的安全性能夠令人放心嗎？

據俄羅斯《能源》雜志報道，海上小型浮動核電站的安全性優于陸上核電站。浮動核電站功率較小，設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，反應堆壓力容器與蒸汽發生器之間采用短套管連接，可以有效避免大破口事故的發生。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“應急散熱器”，在發生事故時，浮動核電站可以將海水引入內部，阻止堆芯熔化，保證核反應堆的安全。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方面進展不大，但它瞄準了更小、更便捷的核動力裝置。NASA下屬的未來太空運行工作組（FISO）正在開發核發電箱。這種微型核動力裝置能在火星上完成多種任務，為宇航員提供電力、熱量和氧氣。

據美國《核能》雜志報道，核發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，其總重量也被控制在1.5噸之內，比普通的小汽車還輕。5個核發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人的社區使用5年——這堪稱能源領域具有劃時代意義的產品。

在行星登陸計劃中，美國宇航員可以攜帶手提式核發電箱進行供電。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，那么可以將核發電箱放置在隕石坑或者洞穴中，一來可保證科學儀器正常工作，二來可借助外星環境對核電設備進行保護。

核發電箱可以作為氧氣或氫氣發生器的電源，也可以作為充電設備，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，例如被發射到國際空間站，作為能量供應裝置。

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

NASA計劃在太空和包括火星在內的其他行星上使用這種動力裝置。根據該機構的估計，未來的小型火星基地大約需要40千瓦的電力來運行。4個核發電箱相互連接就可以產生必要的電力。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：核反應堆是持續工作的，停機和啟動都要經過復雜的程序，核發電箱如何對此進行控制？NASA設計的小型核反應堆具備自我調節功能。其核心是一個經過改良的部件——將熱能轉化為電能的斯特林發動機。開發人員創建了一個系統，當需要較多電力時，該系統可以自行提高反應速度;當電力需求下降時，系統可以降低反應速度，在不停機的情況下低速運行。

嚴密的安全操作規則?

核發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，雖然核發電箱使用核裂變的方式產生能量，但它的安全性極高，不會發生核泄漏等災難性事故。由于這種能量裝置一直在低功耗的水平上運行，因此不會發生核反應堆崩潰的問題。如果有外力作用導致其受損，那么小型核反應堆就會立即自動停止工作，以確保安全。

NASA還為核發電箱設定了一套嚴密的安全使用規則。首先是防觸電。核反應堆需要非常高的電壓才能工作，一般會產生高達1萬伏的電壓。宇航員在操作核發電箱時必須小心，避免自己和他人遭受高壓電擊的傷害。其次是防輻射。雖然核發電箱的設計理念非常環保，幾乎不會產生放射污染，但NASA仍然要求核發電箱的運輸和使用操作遵循嚴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