【科技情報(bào)】將小型反應(yīng)堆揣進(jìn)口袋可能嗎？

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作者：黃偉 審協(xié)北京中心光電部 IP創(chuàng)新贏

原標(biāo)題：將小型反應(yīng)堆揣進(jìn)口袋可能嗎？

很多時(shí)候小編都驚詫于科幻電影里的超級(jí)英雄們?cè)谒矔r(shí)爆發(fā)出的巨大能量？能否有一天，我們也把反應(yīng)堆揣在自己的口袋里？

看過(guò)《鋼鐵俠》系列電影的朋友一定都知道，為整個(gè)鋼鐵俠供給能量的就是位于鋼鐵俠戰(zhàn)甲胸口處的這個(gè)小能量塊。

就是這個(gè)能量塊，能為鋼鐵俠瞬時(shí)提供大量的能量。能讓鋼鐵俠在空中翱翔，并用激光炮消滅敵人。

有人說(shuō)：這就是未來(lái)的一個(gè)高度集成化的核聚變反應(yīng)堆。有了它，大家甚至可以像《X-Man》中的電光眼一樣，發(fā)射一道，哦不，是兩道高能激光！

然而，科幻電影中的超級(jí)裝備能走進(jìn)現(xiàn)實(shí)嗎？

目前，利用核能的小型設(shè)備常見(jiàn)的為放射性同位素電池，且多見(jiàn)于太空探索設(shè)備中。

例如：美國(guó)的阿波羅飛船

美國(guó)“好奇號(hào)”火星車

當(dāng)然，也包括我國(guó)的“嫦娥三號(hào)”月球車

這些同位素電池長(zhǎng)啥樣？是什么原理？輸出功率是多少？壽命有多久？這些問(wèn)題小編統(tǒng)統(tǒng)不知道，因?yàn)檫@些都是涉密的啊！但可以肯定的是：其輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于反應(yīng)堆！

將探月設(shè)備中發(fā)電科技轉(zhuǎn)化為民用可能為時(shí)尚遠(yuǎn)。

把核反應(yīng)堆裝到口袋里目前也是天方夜譚。

因?yàn)椋杭冣?35金屬球的臨界半徑要8.1cm，所以裂變堆放入口袋從尺寸上講已經(jīng)不可能。從尺寸上講，也許核聚變可以，但目前卻沒(méi)有那么薄的耐高溫材料，也沒(méi)有控制核聚變溫度的技術(shù)。

但是，如何將核電站建設(shè)的更小、更便捷、更安全、更經(jīng)濟(jì)卻是目前各電力巨頭關(guān)注的問(wèn)題。今天我們也來(lái)探討一下這個(gè)問(wèn)題！

放在口袋里的反應(yīng)堆目前是不可能的，但是放在家中的一間屋子里卻很快能成為現(xiàn)實(shí)！

環(huán)顧現(xiàn)在正在使用的核電站都是傍水而建?？纯聪旅娴恼掌?，如果沒(méi)有核電廠，一定能成為旅游勝地吧！

王安石在《游褒禪山記》中不是說(shuō)過(guò)“世之奇?zhèn)ァ⒐骞?、非常之觀，常在于險(xiǎn)遠(yuǎn)，而人之所罕至焉”。以前的核電站都建在的遠(yuǎn)離人口聚集區(qū)，美景都在危險(xiǎn)處說(shuō)的多有道理啊！

同時(shí)，“蔚為壯觀”的核電站建設(shè)周期也很長(zhǎng)！世界核能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)過(guò)，近60年來(lái)，全球600臺(tái)核電機(jī)組的建設(shè)周期平均為82.5個(gè)月。我的媽呀，接近7年！別忘了，這還只是建設(shè)周期，如果算上之前的選址、論證、審批等環(huán)節(jié)……，可以說(shuō)每個(gè)核電站都是百年大計(jì)。

傳統(tǒng)大型核電站建設(shè)周期長(zhǎng)，輸電距離遠(yuǎn)的缺點(diǎn)，催生了把核電站和反應(yīng)堆小型化的訴求！這也就是很多科技公司正在致力于解決的事情。

俄羅斯人的解決方案是浮動(dòng)式核電站（Floating NPP），就是把反應(yīng)堆建在船上，哪里需要去哪里！俄羅斯第一艘漂浮式反應(yīng)堆“羅蒙諾索夫”號(hào)（下圖為效果圖）已經(jīng)開始建造，據(jù)傳近期將要投入運(yùn)營(yíng)。

這樣的反應(yīng)堆可以用來(lái)為海水淡化、北冰洋破冰提供能源！中國(guó)其實(shí)也有相應(yīng)的計(jì)劃，并已經(jīng)立項(xiàng)在建。但是，這種反應(yīng)堆設(shè)計(jì)容量只有約35兆瓦！

35兆瓦的功率這什么概念？

舉個(gè)例子，根據(jù)報(bào)道：2013年7月28日，天氣酷熱的北京城當(dāng)天的用電量超過(guò)3億度電。大約需要360艘“羅蒙諾索夫”號(hào)才能勉強(qiáng)維持高峰期首都一天的用電需求。如果那樣的話，北京的昆明湖、未名湖、龍?zhí)逗⑶帻埡?，昆玉河，通州大運(yùn)河……都要布滿這種船吧？

如此看來(lái)，反應(yīng)堆小型化的同時(shí)還要保證一定功率輸出才好。于是，模塊化反應(yīng)堆概念開始浮出水面，其中的代表是NuScale Power公司。

2017年3月15日，該公司正式向美國(guó)核管會(huì)（NRC，在美國(guó)建核電站須該機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)才行）提交先進(jìn)小型模塊化堆（SMR）設(shè)計(jì)方案認(rèn)證申請(qǐng)，預(yù)計(jì)40個(gè)月能獲得許可證。

那NuScale Power公司的設(shè)計(jì)理念是什么呢？看圖吧！

這種模塊化組件可以方便的通過(guò)水路或陸路運(yùn)輸！

怎么樣，被嚇到了吧，妹紙！！！

NuScale Power公司就是把核電站里的主設(shè)備集成在一起，最后用卡車頭和拖拽船背著跑，哪里需要去哪安裝，建設(shè)周期超短！

單個(gè)反應(yīng)堆模塊的功率雖只有45兆瓦，但多個(gè)模塊可以快速疊拼。例如，12個(gè)模塊組裝后就大約能夠滿足三亞的供電量一起運(yùn)行（據(jù)報(bào)道：三亞2015年日最高負(fù)荷56.6萬(wàn)千瓦）。

來(lái)看看五個(gè)模塊組成的機(jī)組在廠房里的布置的效果圖——右邊那五個(gè)淹沒(méi)在冷卻水中的就是模塊哦。

再來(lái)欣賞一下NuScale模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，上升器形成熱管段區(qū)域（紅色箭頭部分），冷卻劑流經(jīng)蒸汽發(fā)生器后熱量被帶走，最終形成冷卻介質(zhì)自然往復(fù)循環(huán)，這里的冷卻回路不借助主泵循環(huán)，系統(tǒng)可靠性提升；將原來(lái)散落在安全殼里的主設(shè)備集成在一起，方便安裝使用。

除了NuScale Power公司，還有誰(shuí)在做這方面研究呢？ 國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明全球僅有三座先進(jìn)小型模塊化反應(yīng)堆在建（見(jiàn)下表），包括俄羅斯浮動(dòng)型反應(yīng)堆、清華大學(xué)的高溫氣冷堆和最早建設(shè)的CAREM堆（阿根廷）。除此之外，比較有名的（狀態(tài)見(jiàn)下圖）的還包括：美國(guó)的mPower堆、W-SMR和IRIS堆,以及我國(guó)的中核ACP100、廣核CAP150/200和ACPR50S幾種堆型。

盡管距離小型反應(yīng)堆的盈利甚至商用還有一定距離，但是專利布局早已經(jīng)開始了。以美國(guó)的三家公司為例：

而且，如果考慮到技術(shù)傳承。三家公司都是站在巨人的肩膀上，或者說(shuō)有的甚至初始技術(shù)都是別的研究機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)讓的。

??? 巴威公司的mPower堆主要參考了Otto Hahn商船反應(yīng)堆設(shè)計(jì)；
??? 紐斯高公司的NuScale堆是在俄勒岡州立大學(xué)的MASLWR設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上改進(jìn)完成的；
??? 西屋公司主導(dǎo)的W-SMR和IRIS堆也是傳承了其AP1000（先進(jìn)壓水堆，該公司自身的上一代產(chǎn)品）的技術(shù)特點(diǎn)。

三家公司的SMR設(shè)計(jì)各有特色，讓我們通過(guò)下圖來(lái)簡(jiǎn)單比較一下三種SMR堆型的模塊設(shè)計(jì)吧！

（圖中1-堆芯；2-控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；3-蒸汽發(fā)生器；4-主泵；5-穩(wěn)壓空間）

與另外兩家相比，NuScale堆型省略了主泵。這樣的設(shè)計(jì)可謂是“瘋狂”，因?yàn)橹鞅玫淖饔迷谟隍?qū)動(dòng)冷卻劑循環(huán)，為堆芯降溫！沒(méi)有主泵的堆型之前在業(yè)內(nèi)是不可想象的，也難怪該堆型一經(jīng)推出后，就博得了業(yè)界同行的刮目相看以及重點(diǎn)關(guān)注。

與上述種堆型均不同，我國(guó)的堆型也有獨(dú)到之處。以ACP-100為例，中核集團(tuán)下屬的中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，早在2012年6月11日就在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)了模塊式壓水堆的發(fā)明專利（中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)朇N201210189540.X）。

通過(guò)專利我們可以看到：模塊結(jié)構(gòu)很別致，穩(wěn)壓器4設(shè)置在模塊外部，采用磁力型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)6和垂直安裝主泵5（見(jiàn)下圖）。

中核ACP-100堆型相對(duì)于美國(guó)三家公司的堆型，是將其“5-穩(wěn)壓空間”和主體模塊分離開了，而且我們的主泵是外置垂直安裝的，美國(guó)的要么是內(nèi)置的、要么是橫置安裝的。看似改動(dòng)簡(jiǎn)單，但整體指標(biāo)都得重新設(shè)計(jì)。因?yàn)榉磻?yīng)堆是個(gè)系統(tǒng)工程，任何改動(dòng)都是致命的；這種牽一發(fā)而動(dòng)全身的領(lǐng)域，稍作改動(dòng)意味著重新設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行全盤驗(yàn)證。在這里，小編要為中國(guó)核工業(yè)的科研人員們點(diǎn)贊！

目前，世界各國(guó)的多個(gè)團(tuán)隊(duì)都在緊鑼密鼓的對(duì)小型堆進(jìn)行研發(fā)。為了和最先提出的SMR設(shè)計(jì)概念形成差異，各個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都使出了渾身解數(shù)，在反應(yīng)堆的各個(gè)局部進(jìn)行著痛苦地改進(jìn)。對(duì)這些改進(jìn)的專利布局也正悄然進(jìn)行著，也許這正是未來(lái)全球核電專利戰(zhàn)爭(zhēng)的序曲。

反應(yīng)堆離大家的生活看似很遠(yuǎn)，其實(shí)很近。說(shuō)它遠(yuǎn)是因?yàn)榇蠹铱赡芸床灰?jiàn)摸不著，說(shuō)它近是因?yàn)槔习傩彰刻於荚谟秒?，如果咱們沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也許你交的每度電費(fèi)里有一毛就是交給別人的專利許可費(fèi)。加油中國(guó)核電！

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作者：黃偉? 審協(xié)北京中心光電部

編輯：IPRdaily.cn 趙珍

校對(duì)：IPRdaily.cn 縱橫君

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