提起核能，估计大家心里同时冒出两个标签，“黑科技”，“不安全”，毕竟远有切尔诺贝利，近有日本福岛泄漏事故。尽管现代核反应堆技术已经在持续迭代，安全性不断提高，但对于普通人来说，如果被告知自己的居所附近兴建了核电站，大概多少会感到惴惴不安。
讽刺核能安全性的漫画，左边人物的对白是:“我们难道不应该在核泄漏发生之前摆脱它(核能）？” | www.globalcartoon.wordpress.com
近日，一家来自美国俄勒冈州，名为NuScale的核能初创企业，似乎立志要做核能界的特斯拉或SpaceX，打破这种大众的偏见，宣布推出了一种高度安全，将传统核反应堆事故率降低到近乎为零的微型核反应堆。这家公司的长期愿景是，让这种轻便，安全的小型核反应堆成为城市和小型社区的“核充电宝” ，提供清洁廉价又安全的能源。
NuScale小型反应堆本体可以用卡车来进行运输 | http://www.nuscalepower.com
堆芯熔化：“核反应堆的最大隐患
实际上，迄今为止大多数核电站泄漏事故的罪魁祸首，是堆芯熔化。而什么是堆芯熔化呢？这要从核能发电的基本原理说起。
核反应堆堆芯融化示意图 | https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_meltdown
核电站，其实就是利用核反应堆来烧锅炉，但核反应堆与普通锅炉不同，里面充当燃料的不是煤球或石油，是一根根包在锆合金管里的二氧化铀，数量众多的核燃料棒排列在一起，就形成了反应堆堆芯。当链式反应停止后，堆内的短周期放射性同位素还在不断衰变，释放出可观的热量，这就是堆芯余热，能量可以达到反应堆运行功率的6%，然后会逐渐衰减。
一座百万千瓦电功率的核电站，堆芯余热最高时能达到20万千瓦，相当于一座小火电厂的功率。如果这些余热不能及时导出，堆芯温度升高，核燃料首先会烧毁外包壳管，最后开始熔化，引起不可遏制的放射性物质泄漏，堪称核电站的阿喀琉斯之踵。
一座德国核电站反应堆内部，中间是被冷却水环绕的堆芯 | www.power-eng.com
对于传统大型反应堆来说，确保堆芯余热的安全散发，是个复杂又艰巨的任务。现有反应堆一般采用水冷模式散热：布置多台主水泵，驱动水在反应堆和蒸汽发生器之间不断循环，用以降低温度。当停堆后需要排出余热时，则使用专门的余热排出泵。这个冷却系统的复杂性，注定了它是事故多发区：维持冷却系统的电力和作为冷却液体的水缺一不可，万一断电，水泵停止运转，或者反应堆内的水发生泄漏，灾难就近在眼前。所以，即使是相对先进的第三代压水核反应堆，设置了非能动应急堆芯冷却系统，在发生事故后，充其量为前来抢修的工程技术人员留出72小时的“安全时间”。
用黑科技做减法
那么，NuScale到底都鼓捣出哪些黑科技，才有底气宣称基本杜绝了堆芯熔化事故发生的可能呢？
NuScale的小型模块化堆，并没有采用高大上的新材料或新技术，而是将核电已有的成熟技术巧妙的结合，确保了安全性。
NuScale小型反应堆外观 | www.wired.com
从表面上看，NuScale这款“核充电宝”是一个细长的圆柱体，这其实是它的安全壳，完全浸没在水池中。安全壳内才藏着真正的反应堆压力容器，再里面才是核燃料，以往核电站里被视为不可或缺的主泵，被华丽丽地取消了。
NuScale小型反应堆内部结构 | http://www.nuscalepower.com
没有主泵，如何实现反应堆的冷却？NuScale的答案是“自然循环”。NuScale将堆芯放在压力容器底部，而在高处设置了一台内置的螺旋管式蒸汽发生器，冷却水从下向上流经堆芯，被加热后密度降低，于是继续向上流动，经过蒸汽发生器，被冷却后密度增大，从外侧流道向下流动，形成自然循环，也就不需要主泵来提供循环动力了。
取消了主泵这个设计，显著提高了“核充电宝”的可靠性。不过实现自然循环需要一定的高度差，所以压力容器成了一个细长的圆筒状。由于NuScale的设计人员采用一体化设计，内部没有主管道，即使发生破裂，喷出的水也可以在安全壳内形成循环，维持堆芯处于淹没状态。
而另一个最引人瞩目的天才设计，是把压力容器与安全壳之间的空间是真空的。这种做法是NuScale的独家发明：真空阻断了热传导，极大减小了热损失，并且真空也有利于反应堆安全，即使反应堆发生事故，燃料棒外壳中的锆与高温水蒸气反应产生了大量氢气，在真空环境中也无法爆炸，杜绝了产生类似福岛核电站氢爆灾难的可能。
NuScale反应堆堆芯余热排放流程图 | http://www.lenr.com.cn/index.php?c=index&a=show&catid=14&id=532
有了这一套组合拳，NuScale基本杜绝了堆芯熔化的可能。在正常情况下，停堆后的堆芯余热还可以像没停堆时那样，以自然循环的方式，由蒸汽发生器导出，只是这时候蒸汽发生器由最外面的安全壳水池供水，热量也就被散发到水池内。那蒸汽发生器坏了怎么办呢？不慌！这时压力容器与安全壳之间的真空空腔就派上了用场：打开阀门让反应堆和空腔连通，一回路产生的蒸汽会释放到安全壳空腔内，通过热传导把热量传递给外面的水池，凝结成水后通过阀门又回到堆芯，再次形成自然循环，完美！
NuScale这款“核充电宝”附带的安全壳水池容量大约为150立方米，在不断吸收堆芯的热量后，可以维持三天不沸腾，整个余热导出过程没有用到任何水泵和外部水源，只需要开关几个阀门就可以了，而这些阀门甚至可以实现自动开关。
那三天之后呢？水池确实沸腾了，但此时的余热功率已经不到1兆瓦，这一大池子水，足够沸腾30天才会烧干，即使没有技术人员采取干预措施，30天后，“核充电宝”的余热功率已经不到0.4兆瓦，靠空气自然冷却，也能带走这些热量，已经不需要操心啦！
为了让正在运行的反应堆安全而可靠的停堆，NuScale还设置了可靠的控制棒停堆系统。用控制棒插入堆芯来实现紧急停堆的技术久经考验，已经应用在几乎所有反应堆上，完全可以信赖。
一专多能的“充电宝”
有鉴于此，在2020年9月，NuScale就拿到了美国核管会（NRC）的最终安全评估报告，这意味着它的设计和安全性已经得到了监管当局的审查，可以建造了。
由6个NuScale小型反应堆“并联”而成的大型反应堆，以及未来NuScale小型核能综合中心想象图 | www.businesswire.com
NuScale的如意算盘是，既然这个“核充电宝”有如此高的安全性，那把它建在城市或居民区的周边完全没有问题。单台“核充电宝”的发电功率是60兆瓦，完全可以供应一个人口35000人的小型城镇。当然，如果所在的社区能耗比较大，也不难解决，只要将12台机组放在一起（分两组），就是一座72万千瓦电功率的大型电站，成本比建12个小电站还低一些。不仅如此，除了供电之外，这个“模块化”的“核充电宝”还有很多用途：例如把产生的蒸汽导出就能作为社区供暖之用，加装一个溴化锂机组或海水淡化设备，就可以变成社区中央制冷系统或者淡水处理厂等等，真是一专多能。
当然，NuScale这台“核充电宝”虽然有众多的优点，但和其它新兴技术和产品一样，瑕疵也不容忽视。最主要的一个，由于单堆功率小，即使把多个模块化小堆组成一个大型电厂，共用一些设施，每千瓦造价仍达到5000美元左右，还是比大型堆高，接近我国华龙一号每千瓦投资的两倍。不过，由于安全性的大大提升，相信经过一段时间的技术改进和宣传科普，它最终会被公众接纳，成为未来清洁能源制造的一支新兴力量。
作者：人马座A
编辑：朱步冲
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