核发电箱：能源领域的革命

刘秉军

美国航空航天局（NASA）的便携式核发电箱正在开发之中，计划于2022年为美国探测火星提供支持。提到核电，人们首先想到的是庞大的核反应堆、发电设施和厚重的混凝土建筑。其实，科技强国都致力于核电设备小型化研究，从能在海上机动的小型浮动核电站，到能放在手推车上携带的便携式核发电箱，能源领域正在发生一场激动人心的革命。

紧急供电和机动供电

美国是小型化核动力系统开发和应用的先行者。1967年，美国建造了世界上第一个小型浮动核电站——“斯特吉斯”MH1A。它于1968年至1975年间向巴拿马运河区提供能源，1977年因安全问题废弃不用。在此后的数十年间，美国在浮动核电站开发方面没有取得什么进展，而俄罗斯和中国都致力于小型核动力系统的开发，并不断取得突破。

俄罗斯已经建造出排水量为2.15万吨的浮动核电站。虽然它相当于大型船舶，但与庞大的陆上核电站相比还是要小得多。这种浮动核电站装备两个KLT—40型核反应堆，能提供70兆瓦的电力及300兆瓦的热力供应，可以保障一个人口约20万的小型城市的电力及热水供应。此外，浮动核电站还能变身海水净化处理厂，每天能生产24万立方米淡水。

中国具备开发建造大型核电站的经验，也拥有成熟的设备供应链。基于这些条件，中国一直在开展核动力系统的小型化研究。中国的浮动核电站正式名称为“桁架式海上核动力平台”。它采用模块化技术，建造各种不同规格的模块，然后拼接起来，形成浮岛。其设计用途比较广泛：码头仓储、发电、海水淡化及作为海洋资源开发保障基地等。

据英国《新科学家》杂志报道，中国开发的浮动核电站的技术先进性主要体现在模块化设计方面：易于安装、运输及换料检修。它能够提供200兆瓦的能量供应，为海上油气开采、海岛开发等应用领域供电、供热和实施海水淡化。

据美国《旧金山纪事报》报道，浮动核电站的发电能力比陆上核电站要小得多，最多只能达到陆上核电站发电量的25%。但是，浮动核电站的优势在于能够实施紧急供电和机动供电。一旦某个沿海城市因遭受台风等灾害的袭击而失去供电能力，那么浮动核电站就可以赶赴受灾城市附近水域，为城市紧急供电，确保居民的生活能源供应不受影响，同时确保当地企业能够尽快恢复生产。集群化的浮动核电站可确保沿海城市群在受灾后仍能维持正常运转。

报道指出，近年来飓风频频对美国沿海地区造成重创，例如休斯敦市的4万—5万户居民的家园曾遭到严重破坏，城市供电一度中断。面对沿海地区经常遭受自然灾害的现状，美国应该像俄罗斯和中国那样重视浮动核电站的研究，开发并部署一定数量的浮动核电站，以确保遭受灾害的沿海地区的能源供应。

安全性优于陆上核电站

陆上核电站的核反应堆处于高温高压状态，具有很高的能量密度。因此，现代化的核反应堆（并非切尔诺贝利一类的老式石墨沸水反应堆）在设计之初就充分考虑失控时可能发生的爆炸，其涉及安全的所有重要设备都被安置在厚1米以上的钢筋混凝土压力壳内。即使压力壳被导弹等武器击中，也未必会使反应堆失控，因为压力壳内有安全模块（核反应堆出状况时就会启动）、管道和蒸汽发生器等设备。这些设备中的几个同时遭到破坏，也在安全设计的考虑范围之内，可以确保安全系统发挥作用。一旦核反应堆发生事故，安全设施可以依靠重力和压力运作，不必依赖外力和电源，这样可以避免因丧失电源导致安全防护失效。在安全系统的作用下，核反应堆能够立即停止运行，并避免发生辐射物泄漏。

那么，相比之下，浮动核电站的安全性能够令人放心吗？

据俄罗斯《能源》杂志报道，海上小型浮动核电站的安全性优于陆上核电站。浮动核电站功率较小，设计上采用更先进的理念，本身固有的安全性更高。它采用紧凑型布局，反应堆压力容器与蒸汽发生器之间采用短套管连接，可以有效避免大破口事故的发生。浮动核电站处于远离陆地的海上，不易受地震的影响，即便发生地震，震源的地震波也难以被海水传递。另外，海洋本身可以作为“应急散热器”，在发生事故时，浮动核电站可以将海水引入内部，阻止堆芯熔化，保证核反应堆的安全。另外，在日常检测和维护方面，浮动核电站也不存在短板。由于海上浮动平台体积较小，它们可以被牵引到专门的场所进行集中检测和维护。

足够25000人使用5年

虽然美国在浮动核电站开发方面进展不大，但它瞄准了更小、更便捷的核动力装置。NASA下属的未来太空运行工作组（FISO）正在开发核发电箱。这种微型核动力装置能在火星上完成多种任务，为宇航员提供电力、热量和氧气。

据美国《核能》杂志报道，核发电箱里面充满了铀氢化物，外面用混凝土包裹。它的体积只有一个普通拉杆行李箱那么大，用手推车即可运载。即使加上配套的冷却系统，其总重量也被控制在1.5吨之内，比普通的小汽车还轻。5个核发电箱作为一个工作组，用一辆卡车就能运输，而它生成的能源足够一个25000人的社区使用5年——这堪称能源领域具有划时代意义的产品。

在行星登陸计划中，美国宇航员可以携带手提式核发电箱进行供电。虽然其功率不是非常大，但恰到好处，可以灵活使用。如果人类计划登上小行星，那么可以将核发电箱放置在陨石坑或者洞穴中，一来可保证科学仪器正常工作，二来可借助外星环境对核电设备进行保护。

核发电箱可以作为氧气或氢气发生器的电源，也可以作为充电设备，用来给月球车或者火星车充电。它还可以用于其他太空任务，例如被发射到国际空间站，作为能量供应装置。

核发电箱所产生的能量不仅可以用于生产可呼吸的氧气、饮用水、电力和热量，还能生产由甲烷和液氧制成的推进剂，用于将飞船发射到火星轨道上。另外，有了充足的电力，基地的建设在月球和火星上将变得更快捷、更经济。

NASA计划在太空和包括火星在内的其他行星上使用这种动力装置。根据该机构的估计，未来的小型火星基地大约需要40千瓦的电力来运行。4个核发电箱相互连接就可以产生必要的电力。NASA计划为美国的火星探测小组配备5个核发电箱，其中一个作为备用能源。

人们可能会有这样的疑问：核反应堆是持续工作的，停机和启动都要经过复杂的程序，核发电箱如何对此进行控制？NASA设计的小型核反应堆具备自我调节功能。其核心是一个经过改良的部件——将热能转化为电能的斯特林发动机。开发人员创建了一个系统，当需要较多电力时，该系统可以自行提高反应速度;当电力需求下降时，系统可以降低反应速度，在不停机的情况下低速运行。

严密的安全操作规则 

核发电箱面临与浮动核电站同样的问题：它安全吗？

NASA提供给《核能》杂志的报告显示，虽然核发电箱使用核裂变的方式产生能量，但它的安全性极高，不会发生核泄漏等灾难性事故。由于这种能量装置一直在低功耗的水平上运行，因此不会发生核反应堆崩溃的问题。如果有外力作用导致其受损，那么小型核反应堆就会立即自动停止工作，以确保安全。

NASA还为核发电箱设定了一套严密的安全使用规则。首先是防触电。核反应堆需要非常高的电压才能工作，一般会产生高达1万伏的电压。宇航员在操作核发电箱时必须小心，避免自己和他人遭受高压电击的伤害。其次是防辐射。虽然核发电箱的设计理念非常环保，几乎不会产生放射污染，但NASA仍然要求核发电箱的运输和使用操作遵循严格的防辐射隔离程序：运输工具和装载容器必须加装防辐射隔离板，操作人必须穿着防辐射服，并配备核辐射探测装置。

编辑：姚志刚 winter-yao@163.com