美积极推进两种军用微堆研究

美国国防部后勤局和空军2022年9月26日联合发布关于阿拉斯加州艾尔森（Eielson）空军基地固定式微型反应堆建设项目的建议邀请书（RFP），正式启动首座军用固定式微堆招标程序。这是一个试点项目。如果获得成功，未来将在其他军事基地推广这种反应堆。

固定式微堆是美国防部正在积极推动研发和示范的两种微堆之一。国防部战略能力办公室于2019 年启动“贝利”项目（Project Pele），目的是推进移动式微堆的研发和示范，进而满足国外前沿作战基地的能源需求。相对而言，移动式微堆在反应堆体积、重量、能量密度和安全防护等方面面临较高的技术挑战。固定式微堆不需要机动能力，技术难度相对较低，可选择更成熟、成本更低的技术。

1 固定式微堆

1.1 保障军事基地能源供应

美国防部的国内设施超过500座，能源消耗量占联邦政府能耗总量的20%以上。目前，这些军事基地几乎完全依赖外部电网供电，可能因各种威胁造成长时间供电中断，从而导致关键任务面临长期断电威胁。备份电源通常以柴电机组为基础，现场的燃料储备有限。美国国防科学委员会国防部能源战略特别工作组在2008年的一份报告中指出：“关键国家安全和国土保卫任务面临的因电网故障导致长时间断电的风险高得不可接受。”

美将固定式微堆视为有助于加强军事基地能源保障的理想技术选择。《2019财年国防授权法》要求国防部为满足军事基地能源需求启动固定式微堆选址。美空军2021年10月宣布选定艾尔森空军基地作为首堆厂址。

1.2 艾尔森基地微堆建设项目

美于2022年9月发布建议邀请书，启动供应商选择程序。预计美将于2023年选定技术供应商，并启动取证程序。在根据《国家环境政策法》完成环境影响评价并获得核管会（NRC）颁发的许可证后，艾尔森基地微堆将于2025 年启动建设，2027 年建成投运，提供电力和蒸汽，能够满足5000千瓦基荷电力需求。

反应堆将由承包商建设和运营。美空军以签署固定价格合同的方式为该堆的建设、调试、运维和最终退役提供经费。经费将以年度拨款的形式支付，且合同期不会超过30年，包括建设期、测试期、能源生产期和反应堆拆解期。

反应堆的负荷因子应不低于90%，换料周期不短于18 个月，每次停堆换料和维护的时间不超过30 天。应每年进行至少一次、或应政府要求进行无人值守的安全和黑启动（即可以在完全没有外部电力供应的情况下启动运行）测试，以验证反应堆能够从满负荷运行模式转入停堆模式，或从停堆模式转入满负荷运行模式。这一测试应包括验证反应堆在停堆最长24 小时内无需任何操纵员干预也能保持在安全停运状态。

1.3 候选技术

美国奥克洛公司（Oklo）、西屋公司（Westinghouse）、纽斯凯尔电力公司（NuScale Power）、通用原子能公司（General Atomics）、X 能源公司（X-energy）等企业近年来均推出了微堆设计或正在开展相关研究，涉及快堆、热管堆、压水堆、高温气冷堆等多种堆型。

奥克洛公司正在推进名为Aurora 的微型快堆研发。该设计使用高丰度低浓铀金属燃料，装机容量约为1500千瓦。该公司2020年向核管会提交在爱达荷国家实验室建设和运营Aurora 首堆的申请。但核管会2022 年1 月宣布奥克洛提供的材料不足以推进评审工作的开展。奥克洛2022 年9 月向核管会提交了一份取证项目计划（LPP），概述了未来将开展的取证活动。该公司表示，这将支持高效、有效的审查过程，进而推进Aurora技术的商业化。

西屋公司基于空间反应堆技术研发成果，研发了装机容量为200千瓦至2.5万千瓦的热管堆eVinci。纽斯凯尔电力公司正在基于其7.7 万千瓦的模块化小型压水堆设计开展1000千瓦至1万千瓦微堆研究。通用原子能公司正在研发一种可使用标准康乃克斯集装箱运输的4000千瓦至1万千瓦的微堆。X能源公司正在推进X-Battery微型高温气冷堆研究。

2 移动式微堆

2.1 保障前沿作战基地能源供应

美国国防科学委员会在2016年的一份报告中指出，前沿作战基地面临日益严峻的能源供应挑战：一是未来几十年战场的能源使用量可能会大幅增加，使得能源运输和管理成为一项持续的挑战；二是鉴于能源需求的指数性增长，国防部必须对能源保障进行重新评估；三是研究发现，长期能源解决方案应有助于技术优势的维持；四是新型现代作战系统（如定向能激光、轨道炮和无人机）对可靠、高密度能源的需求不断增加。报告还指出，核反应堆技术近年来已取得巨大进步，四代反应堆技术的研发已取得显著进展。报告的结论是，微堆可能成为改变战场能源保障范式的颠覆性技术。

为保障前沿作战基地能源供应，降低前沿基地常规燃料需求，减少后勤燃料运输带来的伤亡，并为满足未来定向能激光武器、电磁轨道炮等新型武器装备的能源需求做好准备，美国防部战略能力办公室2019 年启动“贝利”项目，目标是开发电功率1000至5000千瓦的移动式微堆。

2.2 “贝利”项目

战略能力办公室2020 年3 月宣布在“贝利”项目下为三家技术开发商BWX 技术公司（BWX Technologies）、X能源公司和西屋公司推进移动式微堆研发提供总计3970 万美元资助；2021年3月宣布分别授予BWX技术公司和X能源公司2790 万美元和2870 万美元的合同，资助它们继续开展移动式微堆研发；2002年4月宣布将在爱达荷国家实验室开展首座移动式微堆的建设和运行工作；2022 年6 月授予BWX 技术公司总价值约3亿美元合同，由后者负责建设首座移动式微堆。

根据合同规定，BWX技术将在2024年完成首座军用微堆的建设并将其交付给爱达荷国家实验室。这座反应堆将是一座高温气冷堆，使用高丰度低浓铀三元结构各向同性（TRISO）燃料，电功率为1000至5000千瓦，由多个模块组成，每个模块均可装在6米长的标准集装箱中，可采用公路、铁路、空运和水运等方式运输。反应堆能够在72 小时内完成组装并投入运行。停堆后，能在不到7天的时间里完成冷却，并拆解成适于运输的方式。这座反应堆将在爱达荷国家实验室接受为期三年的性能测试，包括完成拆解并运至另一个位置组装和运行。

由于“贝利”不是一个商业项目，因此首座移动式微堆将在能源部授权下开展测试和运行工作。核管会也参与该项目，主要负责提供有关适用法规和取证程序的信息。

美国选择高温气冷堆建设移动式微堆的主要原因是这种反应堆具有非常高的固有安全性。

一是具有非能动安全特性。带有涂敷层的TRISO 燃料颗粒（详见图1）拥有良好的耐高温性能和包封能力，石墨慢化剂拥有高热容量和强导热能力，氦冷却剂具有化学惰性。在这些特性的共同作用下，高温气冷堆在事故工况下，能够不借助外部设备或操纵员干预，将堆芯热量转移至外部环境。

二是在事故应急响应期间降低对操纵员行动的依赖。由于堆芯的低功率密度和石墨堆芯结构件的高热容量，高温气冷堆堆芯温度在事故发生后的上升速度缓慢，为操纵员采取相应行动预留了较长时间，通常为几天或一周。

三是核燃料涂覆层可对裂变产物进行稳固包封。TRISO 燃料涂覆层具有很强的耐高温能力，能够在1600～1800℃的高温下包封裂变产物。可以对反应堆堆芯进行专门设计，使堆芯最高事故温度不会超过燃料最高可承受温度，进而使反应堆不会发生燃料熔毁事故。

图1 三元结构各向同性（TRISO）燃料颗粒的结构

3 小结

美军曾于上世纪五、六十年代建设并部署8座装机容量1000 千瓦至10 万千瓦的反应堆，其中5 座是可移动的。然而受限于当时的技术条件，这些反应堆在运行可靠性方面存在不足，且造价和运行费用高昂，它们于上世纪70 年代被弃用。

微堆具有安全水平高、灵活性好、能源保障能力强、厂址要求相对较低等特点，在支持特殊地区军用能源供给、降低后勤负担、满足高耗能装备能源需求等方面具有优势，是未来军事技术的高地之一。美国防部将微堆视为颠覆性技术，正在推动两种微堆技术研发：一种是用于满足军事基地能源需求的固定式微堆，另一种是用于满足前沿作战基地能源需求的移动式微堆。

值得注意的是，美国防部积极推动微堆研发，除了满足军事需求，还意在帮助技术开发商加快推进相关微堆技术的商业化进程，帮助美国核工业企业在未来的国际市场竞争中抢占先机，因为微堆在非军事领域拥有广阔的应用前景：一是能够替代柴油发电机和小型电厂，为偏远地区、海岛、海洋资源开发平台提供能源；二是能够用于满足精炼厂、海水淡化厂、制氢设施的能源需求；三是可用于在人道主义救援和救灾行动中快速实现大规模供电；四是由于相关配套技术的通用性，微堆技术的发展成熟必将带动空间动力堆以及深海探测船用小型核动力系统等其他领域反应堆技术的发展。