提起核能,，估計(jì)大家心里同時(shí)冒出兩個(gè)標(biāo)簽,，“黑科技”，“不安全”,，畢竟遠(yuǎn)有切爾諾貝利,，近有日本福島泄漏事故。盡管現(xiàn)代核反應(yīng)堆技術(shù)已經(jīng)在持續(xù)迭代,，安全性不斷提高,，但對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，如果被告知自己的居所附近興建了核電站,，大概多少會(huì)感到惴惴不安,。

諷刺核能安全性的漫畫，左邊人物的對(duì)白是:“我們難道不應(yīng)該在核泄漏發(fā)生之前擺脫它(核能）,？” | www.globalcartoon.wordpress.com

近日,，一家來(lái)自美國(guó)俄勒岡州，名為NuScale的核能初創(chuàng)企業(yè)，似乎立志要做核能界的特斯拉或SpaceX,，打破這種大眾的偏見,，宣布推出了一種高度安全，將傳統(tǒng)核反應(yīng)堆事故率降低到近乎為零的微型核反應(yīng)堆,。這家公司的長(zhǎng)期愿景是,，讓這種輕便，安全的小型核反應(yīng)堆成為城市和小型社區(qū)的“核充電寶” ,，提供清潔廉價(jià)又安全的能源,。

NuScale小型反應(yīng)堆本體可以用卡車來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸 | http://www.

實(shí)際上，迄今為止大多數(shù)核電站泄漏事故的罪魁禍?zhǔn)?，是堆芯熔?/strong>,。而什么是堆芯熔化呢？這要從核能發(fā)電的基本原理說(shuō)起,。

核反應(yīng)堆堆芯融化示意圖 | https://en./wiki/Nuclear_meltdown

核電站,，其實(shí)就是利用核反應(yīng)堆來(lái)燒鍋爐，但核反應(yīng)堆與普通鍋爐不同,，里面充當(dāng)燃料的不是煤球或石油,，是一根根包在鋯合金管里的二氧化鈾，數(shù)量眾多的核燃料棒排列在一起,，就形成了反應(yīng)堆堆芯,。當(dāng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)停止后，堆內(nèi)的短周期放射性同位素還在不斷衰變,，釋放出可觀的熱量,，這就是堆芯余熱，能量可以達(dá)到反應(yīng)堆運(yùn)行功率的6%,，然后會(huì)逐漸衰減,。

一座百萬(wàn)千瓦電功率的核電站，堆芯余熱最高時(shí)能達(dá)到20萬(wàn)千瓦,，相當(dāng)于一座小火電廠的功率,。如果這些余熱不能及時(shí)導(dǎo)出，堆芯溫度升高,，核燃料首先會(huì)燒毀外包殼管,，最后開始熔化，引起不可遏制的放射性物質(zhì)泄漏,，堪稱核電站的阿喀琉斯之踵,。

一座德國(guó)核電站反應(yīng)堆內(nèi)部，中間是被冷卻水環(huán)繞的堆芯 | www.power-eng.com

對(duì)于傳統(tǒng)大型反應(yīng)堆來(lái)說(shuō),，確保堆芯余熱的安全散發(fā),，是個(gè)復(fù)雜又艱巨的任務(wù)?，F(xiàn)有反應(yīng)堆一般采用水冷模式散熱：布置多臺(tái)主水泵,，驅(qū)動(dòng)水在反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器之間不斷循環(huán),，用以降低溫度。當(dāng)停堆后需要排出余熱時(shí),，則使用專門的余熱排出泵,。這個(gè)冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性，注定了它是事故多發(fā)區(qū)：維持冷卻系統(tǒng)的電力和作為冷卻液體的水缺一不可,，萬(wàn)一斷電,，水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，或者反應(yīng)堆內(nèi)的水發(fā)生泄漏,，災(zāi)難就近在眼前,。所以，即使是相對(duì)先進(jìn)的第三代壓水核反應(yīng)堆,，設(shè)置了非能動(dòng)應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng),，在發(fā)生事故后，充其量為前來(lái)?yè)屝薜墓こ碳夹g(shù)人員留出72小時(shí)的“安全時(shí)間”,。

那么,，NuScale到底都鼓搗出哪些黑科技，才有底氣宣稱基本杜絕了堆芯熔化事故發(fā)生的可能呢,？

NuScale的小型模塊化堆,，并沒有采用高大上的新材料或新技術(shù)，而是將核電已有的成熟技術(shù)巧妙的結(jié)合,，確保了安全性,。

NuScale小型反應(yīng)堆外觀 | www.wired.com

從表面上看，NuScale這款“核充電寶”是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的圓柱體,，這其實(shí)是它的安全殼,，完全浸沒在水池中。安全殼內(nèi)才藏著真正的反應(yīng)堆壓力容器,，再里面才是核燃料,，以往核電站里被視為不可或缺的主泵，被華麗麗地取消了,。

NuScale小型反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu) | http://www.

沒有主泵,，如何實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的冷卻？NuScale的答案是“自然循環(huán)”,。NuScale將堆芯放在壓力容器底部,，而在高處設(shè)置了一臺(tái)內(nèi)置的螺旋管式蒸汽發(fā)生器，冷卻水從下向上流經(jīng)堆芯,，被加熱后密度降低,，于是繼續(xù)向上流動(dòng)，經(jīng)過(guò)蒸汽發(fā)生器，被冷卻后密度增大,，從外側(cè)流道向下流動(dòng),，形成自然循環(huán)，也就不需要主泵來(lái)提供循環(huán)動(dòng)力了,。

取消了主泵這個(gè)設(shè)計(jì),，顯著提高了“核充電寶”的可靠性。不過(guò)實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)需要一定的高度差,，所以壓力容器成了一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的圓筒狀,。由于NuScale的設(shè)計(jì)人員采用一體化設(shè)計(jì)，內(nèi)部沒有主管道,，即使發(fā)生破裂,，噴出的水也可以在安全殼內(nèi)形成循環(huán)，維持堆芯處于淹沒狀態(tài),。

而另一個(gè)最引人矚目的天才設(shè)計(jì),，是把壓力容器與安全殼之間的空間造成真空的。這種做法是NuScale的獨(dú)家發(fā)明：真空阻斷了熱傳導(dǎo),，極大減小了熱損失,，并且真空也有利于反應(yīng)堆安全，即使反應(yīng)堆發(fā)生事故,，燃料棒外殼中的鋯與高溫水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生了大量氫氣,，在真空環(huán)境中也無(wú)法爆炸，杜絕了產(chǎn)生類似福島核電站氫爆災(zāi)難的可能,。

NuScale反應(yīng)堆堆芯余熱排放流程圖 | http://www./index.php?c=index&a=show&catid=14&id=532

有了這一套組合拳,，NuScale基本杜絕了堆芯熔化的可能。在正常情況下,，停堆后的堆芯余熱還可以像沒停堆時(shí)那樣,，以自然循環(huán)的方式，由蒸汽發(fā)生器導(dǎo)出,，只是這時(shí)候蒸汽發(fā)生器由最外面的安全殼水池供水,，熱量也就被散發(fā)到水池內(nèi)。那蒸汽發(fā)生器壞了怎么辦呢,？不慌,！這時(shí)壓力容器與安全殼之間的真空空腔就派上了用場(chǎng)：打開閥門讓反應(yīng)堆和空腔連通，一回路產(chǎn)生的蒸汽會(huì)釋放到安全殼空腔內(nèi),，通過(guò)熱傳導(dǎo)把熱量傳遞給外面的水池,，凝結(jié)成水后通過(guò)閥門又回到堆芯，再次形成自然循環(huán),，完美,！

NuScale這款“核充電寶”附帶的安全殼水池容量大約為150立方米,，在不斷吸收堆芯的熱量后，可以維持三天不沸騰,，整個(gè)余熱導(dǎo)出過(guò)程沒有用到任何水泵和外部水源,，只需要開關(guān)幾個(gè)閥門就可以了，而這些閥門甚至可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān),。

那三天之后呢,？水池確實(shí)沸騰了，但此時(shí)的余熱功率已經(jīng)不到1兆瓦,，這一大池子水，足夠沸騰30天才會(huì)燒干,，即使沒有技術(shù)人員采取干預(yù)措施,，30天后，“核充電寶”的余熱功率已經(jīng)不到0.4兆瓦,，靠空氣自然冷卻,，也能帶走這些熱量，已經(jīng)不需要操心啦,！

為了讓正在運(yùn)行的反應(yīng)堆安全而可靠的停堆,，NuScale還設(shè)置了可靠的控制棒停堆系統(tǒng)。用控制棒插入堆芯來(lái)實(shí)現(xiàn)緊急停堆的技術(shù)久經(jīng)考驗(yàn),，已經(jīng)應(yīng)用在幾乎所有反應(yīng)堆上,，完全可以信賴。

有鑒于此,，在2020年9月,，NuScale就拿到了美國(guó)核管會(huì)（NRC）的最終安全評(píng)估報(bào)告，這意味著它的設(shè)計(jì)和安全性已經(jīng)得到了監(jiān)管當(dāng)局的審查,，可以建造了,。

由6個(gè)NuScale小型反應(yīng)堆“并聯(lián)”而成的大型反應(yīng)堆，以及未來(lái)NuScale小型核能綜合中心想象圖 | www.businesswire.com

NuScale的如意算盤是,，既然這個(gè)“核充電寶”有如此高的安全性,，那把它建在城市或居民區(qū)的周邊完全沒有問(wèn)題。單臺(tái)“核充電寶”的發(fā)電功率是60兆瓦,，完全可以供應(yīng)一個(gè)人口35000人的小型城鎮(zhèn),。當(dāng)然，如果所在的社區(qū)能耗比較大,，也不難解決,，只要將12臺(tái)機(jī)組放在一起（分兩組），就是一座72萬(wàn)千瓦電功率的大型電站,，成本比建12個(gè)小電站還低一些,。不僅如此,，除了供電之外，這個(gè)“模塊化”的“核充電寶”還有很多用途：例如把產(chǎn)生的蒸汽導(dǎo)出就能作為社區(qū)供暖之用,，加裝一個(gè)溴化鋰機(jī)組或海水淡化設(shè)備,，就可以變成社區(qū)中央制冷系統(tǒng)或者淡水處理廠等等，真是一專多能,。

當(dāng)然,，NuScale這臺(tái)“核充電寶”雖然有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但和其它新興技術(shù)和產(chǎn)品一樣,，瑕疵也不容忽視,。最主要的一個(gè)，由于單堆功率小,，即使把多個(gè)模塊化小堆組成一個(gè)大型電廠,，共用一些設(shè)施，每千瓦造價(jià)仍達(dá)到5000美元左右,，還是比大型堆高,，接近我國(guó)華龍一號(hào)每千瓦投資的兩倍。不過(guò),，由于安全性的大大提升,，相信經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的技術(shù)改進(jìn)和宣傳科普，它最終會(huì)被公眾接納,，成為未來(lái)清潔能源制造的一支新興力量,。