凭借“小区楼下的核电站”,这家公司想成为另一个特斯拉

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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。

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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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