核能开发：激进的核反应堆

数十年来，在核反应堆设计领域似乎只有一种设计方案占主导地位，而一些潜在的更好选择则被束之高阁。现在，某些可替代性选择再次赢得青睐。
柯克·索伦森是美国一家备受推崇的核技术初创企业——Flibe Energy的创始人，该公司成立于2011年。将时光追溯到2000年，索伦森当时是NASA的一名工程师，其职责就是探究人类未来在月球殖民地的核能选择方案。偶然的机会，他遇到了一本阐述熔盐反应堆的书——一种可以利用液态核燃料的能源来源。
索伦森说，这一想法听起来很荒诞。他之前所听说的所有核反应堆都是采用固态铀燃料——起始于目前在核能工业中占主导地位的轻水反应堆。但该书指出，早在30年前美国橡树岭国家实验室已经演示了熔盐技术——液态铀或者液态含铀燃料具有一些主要优点。熔盐反应堆将不会受到灾难性关闭的影响，如熔盐反应堆不产生掺有钚和其他半衰期较长的放射性同位素的核废料，而是几乎能将这些放射性同位素完全毁掉。
索伦森说，人们发现熔盐反应堆的优点越来越多：与轻水反应堆相比，这种设计思路“具有巨大的潜力，能以一种非常简洁的方式解决核能所遇到的几乎所有问题”。让他感到纳闷的是，“既然如此，为什么我们没有首先采用这种设计方案呢”？
在过去数十年间，很多人都一直在提出上述疑问。人们质疑目标的不仅仅是熔盐反应堆——由于在美国研究计划内诸多激烈争执的待议事项，1976年摈弃了该方案。然而，在第一次商业化核反应堆大潮中，熔盐反应堆只是被搁置的多种可选择方案之一。其他技术包括：同样可以燃烧核废料的“快反应堆”，能够为工业提供零碳排放热量，从而有助于大幅减少温室气体排放量的高温反应堆等。总体来看，这些替代性技术能够消除核能的大部分甚至全部缺点。但在过去数十年间，由于议事日程的多变和经费资助力度的限制，它们却只得到研究人员断断续续的关注。
现在，上述情形可能正在发生改变。十年来，人们对于核安全和零碳能源的需求，已经激发了各国政府对替代性核技术的兴趣。乐观主义者认为，日本福岛核事故的影响，终将促进更具安全性的替代性核反应堆的市场。例如，新兴的Flibe Energy正在致力于商业化熔盐反应堆，而一些工业界巨头如通用—日立核能公司也正在开发商业化快反应堆，这些公司希望已经做好了准备。
重新让上述技术获得新生并非是一件容易或者能速成之事。虽然其基本设计数十年前已经完成，但工程师们希望将其投入实际应用就必须开发一些新东西，如抗辐射材料、更高效率的热机和经过改进的安全系统等，然后必须向监管机构证明这些系统能够正常工作。马萨诸塞州剑桥科学家关怀联盟高级全球安全分析师艾德温·黎曼说：“核能是一件艰辛工作。它昂贵、进展缓慢，且具有高风险，因为必须将安全性作为一个因素。”
但那些相关人员共同拥有一个信念：即未来核工业的最佳希望在于悔改其过往之错。正如索伦森对摈弃熔盐反应堆之事所指出的那样：“没有人曾说过‘噢，也许我们犯了一个错误’；也许我们应该重新回头，再次回到那个决定。”
首个并非是最好的
轻水反应堆赢得主导地位并非是因为它们是最好的，而是因为这是第一种反应堆。
上世纪40年代，作为一种紧凑的能源来源，轻水反应堆最初被开发用于船舶和潜艇上；到了50年代，当时美国通过创立商业化的核能工业，以寻求在原子能领域扮演一副和平的面孔，因而这种设计被采用并获得加速发展。“轻水”是普通的H2O，它们流经反应堆芯，吸收热量，并将热量循环到常规涡轮机中，进而将热能转化为电能。
最终，这样的反应堆注定成为一个更大系统中的一部分，更不用说，任何核反应堆将会很快地毒化自己。随着链式反应的进行，铀原子裂解后核燃料累积越来越多的核碎片，反过来这些碎片会吸收越来越多的、保持核反应进程所需的中子。大约18个月之后，核燃料就成为“废料”，并且必须将其卸去——即便其中依然含有很多原始能量。
美国能源部核能办公室原主任、现任美国核管理委员会成员威廉姆·马格伍德说：“因此过去一直有这么一种看法：即乏燃料再循环结构能够重新获得燃料的更多能量。”全球性的核废料再处理工厂网络可以利用核废料，通过化学方法提取乏燃料中依然能使用的部分——其中大部分是铀-235和部分可裂变的钚-239（铀-238的中子被捕获以后成为钚-239），然后将其转换为新的核燃料。最终，这种工厂转变为新一代的增殖反应堆，其设计目的就在于使钚产量最大化。唯一的废弃物将是一种相对来说很少部分的高强度辐射性裂变产品残留物，这些废弃物在几百年内就可以衰变，利用精心设计的水泥棺能够安全地处置这些废弃物。
马格伍德说，上世纪60年代和70年代早期，这种版本成为美国核反应堆的主导战略，确切地说美国核管当局终止了许多非增殖反应堆（包括熔盐反应堆）设计的研究经费。这一计划确实见到了成效：目前全世界共有437座运营核反应堆，其中356座为轻水反应堆。
然而，1974年5月，印度利用从乏燃料中提取的钚，成功地试验了一颗原子弹。陡然间，全球各国政府不得不面对一种地缘政治现实：大规模商业化再处理将引发猖獗的核武器扩散问题。因为每一家再处理工厂都能处理以吨为单位的、足以用来制造原子弹的钚，核查人员如何才能确认没有人从中提取制造核武器所需要的4到6公斤钚呢？
因此，1977年美国总统卡特禁止对乏燃料进行商业化再处理，几年后里根总统解除了上述禁令。但由于设施造价太高，自那时到现在，全球只有法国的两个乏燃料商业化再处理工厂运营。大多数增殖反应堆的研究工作也都停止了，因为没有乏燃料再处理工厂这些研究没有意义。研究人员发现自己遗留了一个很棘手的核燃料处置问题：现在不得不设法将成千上万吨的核废料进行隔离数百世纪之久。因为钚-239的半衰期为24100年。没有人能够确保如何将核废料安全地隔离那么大的时间尺度。
与此同时，上世纪70年代关于核电站安全的呼声也日益增强。一旦出现任何故障导致经过轻水反应堆的水流中断，热量将会被围困于核反应堆芯。即便是技术性地关闭核反应堆，裂变产品依然能通过放射性衰变产生足够热量，熔化核燃料并进入到周围环境之中。虽然所有的轻水反应堆都配备有紧急备用冷却系统，但问题是一旦备用系统也失灵该将如何处置？
1979年3月，美国宾夕法尼亚州三里岛核电站发生事故，人们真正认识到了这种担忧；而2011年日本福岛核电站发生的堆芯熔毁惨剧，更明显地证实了这种担忧。
第二次机会
美国三里岛核事故发生后在公众和政治层引起了强烈反对，全世界范围的核能发展暂时都受到了很大限制，而且这种情况一直持续了长达25年。电力公司取消了其核能发展计划，并取消了几乎所有反应堆订单。整个核能工业变得更加不愿意探索新技术。加州大学伯克利分校核工程师皮尔·皮特森说：“它们不愿承担其他新技术和材料的风险，仅关注那些拥有丰富经验的技术和材料，因为深知这些能够得到监管机构的批准。”
由于工业界的兴趣极少，以及先进反应堆开发投入实际应用的希望渺茫，其研究工作不得不挣扎于反复无常的计划和资助。美国威斯康辛大学麦迪逊分校核工程师米歇尔·考拉蒂尼说：“如果你忽上忽下的话，制定计划和从事先进工程研究开发就异常艰辛。”
直到新千年来临之际，这种情况才发生变化。麻省理工学院核工程师查尔斯·弗斯伯格回忆道：“中国和南亚（以及世界上其他任何缺乏石油和天然气的地方）核电站的建设工作开始起步。”（目前共有64座核反应堆处于在建阶段，数百个核反应堆处于计划阶段）。他说：“美国政府认识到，如果在核能方面无所作为，终将无法坐到谈判桌上”。此外，气候变化问题也同样驱使美国和欧洲对核技术重新产生兴趣。由于风能和太阳能产出的不稳定性，要摆脱对化石能源的依赖，就必须拥有一个认真的核计划。
激进的投资
核计划重新启动的结果之一就是，2002年2月由美国能源部宣布启动“美国核电2010计划”，这是一项由政府和工业界共同分担费用的计划，旨在帮助制造商来开发具有先进安全特性（如在发生事故的情况下，利用重力和自然对流机制，能够保持冷却剂的流动）的轻水反应堆并获取执照。目前全世界已有数个这种类型的反应堆正处于计划阶段，其中包括美国在建的4座反应堆——这是首批新一代反应堆。
2011年，美国能源部开始实施费用分担的小型模块反应堆开发计划，在该计划中更为激进的设计方案也获得了开发机会。这种反应堆设计的目标是，摈弃目前耗资巨大的千兆瓦级核电厂（其建设费用大约为100亿到150亿美元），趋向于建立装机容量为250兆瓦或者更小的小型模块反应堆。其规模足够小，能够在工厂进行批量生产，然后运输到指定地点。四家拥有先进轻水反应堆设计能力的设计商共同竞争该合同，2012年11月20日由美国巴威公司（B＆W公司）领导的财团赢得了此项设计招标。
但其他设计方案也有可能受益，皮特森说：“如果我们能够产生一个轻水小型模块反应堆市场，将使原型先进反应堆市场的开发更加容易。”电力公司能够利用简单的模块“即插即用”方式来试验新技术。皮特森进一步说，如果可以，很好；如果不可以，也没有太大的损失。“这就降低了其整体风险门槛。”
“即插即用”模块的主要方案是高温反应堆，正如其名字所暗示的那样：它们产生蒸汽的温度最高可达1000℃，远高于轻水反应堆大约300℃的温度。这就要需要一些激进的不同设计选择，如采用氦气取代水来获得热能、用由铀氧化物和碳化物制成的耐热燃料等。
这样的反应堆不会发生堆芯熔毁事故，燃料的融点很高，在最高温度达1600℃时燃料依然能处于稳定状态，这一温度比最坏的情况——即全部供电中断和冷却剂失灵进而造成反应堆芯熔毁——还高数百度。高温使反应堆在生产电力方面效率更高，同时它们可以向工业技工供热，减少碳排放。在美国，工业用能源（如石油裂解和塑料制造）约占全国能源供应总量的23%，其中大部分工业生产中都需要在至少700℃以上的高温条件下进行。目前，主要是利用燃烧天然气来实现如此高温的条件，高温反应堆能够提供零碳排放的替代方案。
目前，全球已经有若干个商业高温反应堆正处于开发之中。2012年，一家石油化学公司和反应堆制造商同意支持法国核工业公司阿海珐集团设计安塔尔高温气冷堆。美国陶氏化学公司电力和蒸汽部门主管弗雷德·莫尔说：“现在所要做的就是耗资8亿美元的设计工作，使之达到核能管理委员会认可的程度以获得许可证。”他估计这一进程将需要5到7年。如果一切都能按计划进行，从本世纪20年代开始，高温系统将会成为即将开发的先进核反应堆中的首批。
紧随其后的是快反应堆——它能够应对高温反应堆所无法解决的乏燃料问题。快反应堆能够消耗掉乏燃料，将核废料转变为能量并免除了处置问题。
刚从最新裂变的原子核中裂变出的核子是“快速”的，平均能量大约为200万电子伏特。在轻水反应堆中，它们与冷却剂水中氢原子核碰撞很快地降低了其能量——仅仅为不到1个电子伏特，这使得它们更有可能引发另一个裂变反应。但是慢速核子的缺点是——它们不是使目标铀原子核裂变，通常被吸收，将原子核转变为钚、镎、镅， 锔或者其他重元素的长周期同位素，这些重元素的长周期同位素累积起来之后将使乏燃料的处置十分棘手。相比之下，快速中子极少能被吸收。它们并不能常常击中目标，但一旦击中，目标几乎总会发生裂变。因此，快反应堆不仅可以避免产生长周期同位素问题，而且能将它们在乏燃料中摧毁。
皮特森指出，建造一座快反应堆是一件棘手的事情，特别是因为它必须被液态钠（或其他不能像水那样使中子减速的物质）冷却，这将使得设计变得笨重。他说：“建造（为发电涡轮机提供蒸汽的）热交换机是一项十分具有挑性战的工作”，因为钠会与湿气发生剧烈反应产生爆炸性的氢气。研究人员正在积极地研究其他材料——活性更小的选择方案用于制冷，例如铅、超临界状态的二氧化碳等。
然而，过去数年间已投入运营的快反应堆大约为20座，其中大部分是在上世纪70年代紧随增殖堆设计之后（增殖堆旨在使铀产量最大化而不是将其耗掉），至少有四家制造商正在开发能够耗掉乏燃料的小型快速反应堆。目前，由美国通用电力公司和日本日立公司合作，正在北卡罗来纳州合作设计超级动力反应堆创新型小型模块(简称S-PRISM)。它需要紧凑的纳冷剂快速反应堆， 与一种能利用反应堆乏燃料的循环设置相整合，卸去毒害核反应的裂变产品，并将再次复活的燃料装进反应堆。
其潜在市场是巨大的，通用—日立公司先进反应堆开发部门主管埃里克·罗文说，它拥有潜在的巨大市场，“我们在英国有一个适用性研究项目，从再处理工厂获得100吨钚，并将其转换为能量源。”在美国和其他地方，“我们认为应建立先进循环中心网络”，每一中心都拥有6座S-PRISM反应堆和一个循环中心（其作用是卸去从1至3座轻水反应堆的核废料），避免了目前废料储藏地的挤压问题。
罗文指出，建造这种网络的造价不菲，但更重要的挑战则来自政治方面。“我们需要一种政策框架，让人们把乏燃料看作是一种资产，而不是一些需要抛弃的东西”。
熔盐反应堆
固态燃料反应堆的最大优点是其可预测的几何结构，最大缺点是具有复杂性。核子碰撞的强度、裂变产品的分布、对燃料晶体结构的辐射损害等，这些情况的变化到处可见。设计人员努力确保反应堆运转处于稳定状态；努力让监管机构相信即使出现最坏的反应堆芯融毁情况，也不能使得燃料的任何部分坍塌至临界质量（在一定的材料成分和几何布置下，维持核分裂连锁反应所需的核分裂材料质量的最小值，被称为临界质量），但上述问题对其努力来说是一个具有持续性、令人头疼的问题。
然而，当反应堆燃料本身就呈液态时，上述所有这些担忧将统统消失——这就是上世纪60年代橡树岭国家实验室试图开发熔盐反应堆的一个重要原因。
所谓“熔盐”是指燃料，通常是用四氟化铀，它在运转温度下是液态的，将FliBe（氟化锂和氟化铍的混合物）和其混合在一起可作为制冷剂。弗斯伯格说：“这好像是一个巨型空壶，将燃料扔进去，燃料发生混合，但是所有成分一点也不会发生变化。”
索伦森指出，液态燃料的另一个巨大优点是“没有必要将燃料从反应堆中卸去，直到它们完全耗尽”。通过一个外部循环装置燃料可以得到循环利用，这种循环装置不停地获取裂变产品，避免燃料被放射性毒化；此外，这种设计也提供了一种非常简单而巧妙的途径来保持反应堆的安全性。
索伦森说：“在反应堆底部有一个洞由一大块燃料堵塞——这种燃料以固态形式存储在一个制冷设备中。在紧急情况下如果反应堆断电，制冷设备就停止工作，燃料塞将会熔融，之后燃料将会安全地流入地下存储罐中。最后，熔盐反应堆能够使用的燃料范围很广，包括传统的铀、原始核废料或者钍等，而钍储量为铀的3倍以上。”
总之，在40多年之后再次恢复开发熔盐反应堆是一项令人生畏的任务。索伦森说：“我们不得不重新建立已经大部分消失了的知识基础。”目前，该公司正在开发一个可能用于军事基地的、装机容量为40兆瓦的反应堆，可以独立于电网之外正常运作。
可以信赖的机会
2011年9月，美国能源部资助一项为期3年的FliBe冷却高温堆研究计划，这将成为加速开发熔盐反应堆的重要一步。该计划参加成员包括弗森伯格、皮特森和威斯康星大学麦迪逊学院的核工程师图德·爱里恩等人。皮特森说：“没有人曾经建造过盐冷却固态燃料反应堆。”但如果该计划可行，反应堆芯的体积将是其他设计方案的四分之一或五分之一，那将归功于FLiBe盐的稳定性。它将“一直比故障极限温度低数百度”。
皮特森指出，未来10年其公司将拥有一个测试反应堆，虽然“那将耗费大量资源”。那是一项巨大的消费，因为全球经济危机已经使所有先进反应堆开发工作面临越来越大的经费压力。此外，美国的页岩气革命造成化石燃料价格的大幅度降低，已经延缓了美国包括核能开发在内的很多先进能源计划。
美国华盛顿特区核能研究所贸易组政策开发负责人保罗·热那亚则把眼光放得更加长远，他说：“我们首先建造轻水反应堆，先让事情运作起来。下一步，在本世纪20年代，再发展更具安全性的先进轻水反应堆；接下来将是高温反应堆；最后我们将建造快反应堆来消耗核废料。”
热那亚指出，虽然从某种程度上来说熔盐反应堆具有不确定性，但该技术值得开发。另外一些更具不确定性的方案也正处于研究之中，著名的例子就是加速器驱动反应堆，它利用从高能粒子加速器所产生的中子驱使燃料裂变。它可以利用钍作燃料，关闭加速器就可立即关闭反应堆。
核能未来将如何演变？该领域的人士有理由对未来保持乐观，尤其是如果日益增加的气候变化后果迫使政府在减排方面增加费用；甚至日本福岛核事故也终将刺激发展新的核技术。热那亚说：“它确实使人们受到了惊吓，使人们对核能担忧，但随着人们对核能的了解越来越深入，就会说‘嗨，那些是30年前建造的老核电站’。”他认为最终敏捷、灵巧的新反应堆将更具吸引力。