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为何我国不大力发展?全球缺电:美设计小型核电站,能装进集装箱

2021-10-27  星辰大海...

2021年10月15日,前SpaceX工程师组成的团队称正在开发“世界上第一个便携式零排放电源”,它可以为偏远地区供电,还可以在人口稠密地区快速部署的核电站系统。

原本是为太空殖民的创意:结果还用于能源短缺!

这些工程师成立了一家名为Radiant的公司,目的是开发便携式核反应堆,输出功率超过1兆瓦(1000千瓦),Radiant的工程师声称,这个便携式的核反应堆能为1000户家庭供电长达8年。

尽管号称为便携式,但它的大小依然和一个集装箱差不多,不过这个级别的核电站可以通过空运、海运以及公路运输轻松到达有人聚居的区域,并且为这些社区带来不排放二氧化碳的清洁能源,从而减少对石化燃料的依赖,达到减排的目的。

Radiant的创始人兼首席执行官Doug Bernauer是前SpaceX工程师,他在SpaceX工作期间就在研究火星上使用的核反应堆,在此期间,他突然意识到这种都能运输到火星上的核反应堆,为何不用在地球上呢?

火星上的核反应堆

因为地球上还有很多电力难以到达的社区,以及科学考察基地也需要强大且持久的电源,甚至还有很多因为水灾或者地震等原因造成供电中断的地区以及军事行动时需要快速部署的电力等等。

这种核电站到底什么原理,为何那么小,为什么我国不大力推广?

到现在为止,核电站仍然特指核裂变电站,它利用的重核裂变的方式释放能量,一般的可裂变物质为铀-235,或者钚-239,也有用钍-232的核反应堆,但在当前情况下仍然难以商用。

核电站的结构组成

核电站用的都是放射性裂变元素,利用中子轰击后产生的裂变释放能量,在裂变的同时会产生2-3个快中子,需要减速成慢中子才能继续下一次裂变,因此减速剂的不同就会存在轻水反应堆(减速剂用水),重水反应堆(减速剂为重水)。

轻水反应堆一般都是沸水堆,将水烧开后直接分离出蒸汽推动汽轮机工作,这种堆型结构简单,只有一次回路,但高压蒸汽回路带有放射性。

沸水堆

重水堆则是重水作为减速剂,但重水不作为冷却剂,而是有冷却管道通入反应堆内部带走热量烧水,再推动汽轮机发电。

除了这两中结构外,还有高温钠堆,也有钍基熔盐堆等等,但无论哪种都是有核反应堆、减速剂、压力外壳、热交换器以及汽轮机和发电机等庞大的结构,因此核电站不会小,要小型化核电站,很难,除非是热电或者直接衰变电子的核电池,那个功率低,利用率也不高。

微型核电站究竟是什么原理

Radiant官网上介绍,这种能装进集装箱的微型核电站使用的是球形化的核燃料以及氦作为冷却剂,听上去就是高温气冷堆,也就氦冷却的核反应堆。

这种核反应堆可以用低浓缩铀或者高浓缩铀作为燃料,将燃料制成6.7厘米直径的球状,并且包裹石墨,外层再包裹一层碳化硅陶瓷,石墨作为减速剂,陶瓷作为防止碰撞产生粉末。

球床堆使用的燃料球,直径约为2.6英寸(6.7厘米)

这个燃料球强度很高,十几米的高度掉下来也不会破裂,并且非常耐高温,可达1600℃,热容量大,即使控制装置失效,这种燃料球床反应堆也很难导致堆芯熔化,相当安全。

冷却剂则为氦气,化学性质十分稳定,中子截面小,不会对反应堆部件产生化学侵蚀,密度、温度变化对反应性影响小,容易提纯净化,粘度小,质量比热容大,但氦气密度小,需要比较高的压里下才能达到对燃料求的散热效果,因此外壳也需要比较厚。

也可以用来生产氢气

另一个则是高温气冷堆的氦气还是会被交换出来烧水,氦气与固体表面的热交换特性比较差,它需要比较大的换热面积才能“烧水”,因此从这个角度来看,高温气冷堆体积一定消不了。

那么它究竟是如何把体积做小的呢?

Radiant官网却没有介绍,这个就成了个大难题,难道用的是高温膨胀的氦气直接推动汽轮机,但问题是这种高温氦气上千度,似乎还远远达不到喷气式发动机的核心机温度,因此这理论上倒也是可行。

不过各位要是了解Radiant的微型核反应堆热交换驱动发电机过程的,不妨留言了解下,毕竟再加上烧水这个过程的话,似乎核反应堆实在是难以装到集装箱内。

如此优秀的核反应堆,为何我国还不大力推广?

高温气冷堆看上去确实非常优秀,但也存在一些比较麻烦的问题,比如为保证燃料裂变时释放的中子能撞上下一个原子裂变,这种燃料的浓度不能太低,但为了保证不融堆又不能太高。

因此推广长期运行后,产生的核废料数量可能会非常感人(外部包裹了厚厚一层石墨和碳化硅,燃料只增3%体积,使它体积大增),另一个问题是这种燃料的浓度达到了9%,这种浓度的燃料如果处在没有安保控制的无人值守核电站中,被破坏取出堆芯,甚至可以直接加工成脏弹,这绝对是个非常严重的问题。

燃料球在堆芯中随着气流浮动,难以控制均匀散热的问题,造成局部受热过高,燃耗高,功率下降,热流体不稳定等各种问题。

我国的核电开发计划正在有序地展开,对于这种激进的核电直接进社区计划有点不太适应,不过小型化核电并非一定要在地球上用,SpaceX的目的不是在火星上用么,这还真是个不错的主意,而我们的高温气冷核反应堆技术还走在世界前列。

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