核“权力球”可能会让熔毁成为历史

所有核电站背后的基本理念都是一样的：将核裂变产生的热量转化为电能。有几种方法可以做到这一点，但在每一种情况下，都涉及到安全和效率之间微妙的平衡。当核心真的很热的时候，核反应堆工作得最好，但如果变得太热，就会导致熔毁，环境会受到毒害，可能会有人死亡，清理烂摊子需要数十亿美元。

上一次发生这种情况是在不到十年前，当时一场大地震随之而来的一系列海啸导致日本福岛第一核电站熔毁。但是，未来几年即将上线的新一代反应堆的目标是让这类灾难成为过去。这些反应堆不仅将比目前的核电站更小、更高效，而且它们的设计者还声称它们实际上是防熔毁的。他们的秘密？数百万个单独包裹在保护壳里的亚毫米大小的铀颗粒。它被称为TRISO燃料，它就像一个放射性的阻燃剂。

Triso是“三结构各向同性”的缩写，燃料由低浓缩铀和氧的混合物制成，周围有三层交替的石墨和一种名为碳化硅的陶瓷。每个颗粒都比罂粟籽小，但它的层状外壳可以保护里面的铀在即使是反应堆中可能发生的最极端的条件下也不会融化。

Paul Demkowicz是爱达荷州国家实验室先进气体反应堆领域开发和资格认证项目的主任，他的大部分工作是模拟下一代核反应堆的最坏情况。在过去的几年里，Demkowicz和他的同事们一直在对Triso燃料进行资格测试，包括将它们放入反应堆并提高温度。今天大多数核反应堆的运行温度远低于1000华氏度，甚至下一代高温反应堆的最高温度也将达到2000华氏度左右。但在INL测试中，Demkowicz证明了Triso可以承受超过3200华氏度的反应堆温度。在为期两周的测试中，30万个颗粒中没有一层Triso涂层不合格。

Demkowicz说：“在新的反应堆设计中，基本上不可能超过这些温度，因为当达到这些高温时，反应堆就会关闭。”“因此，如果你把这些反应堆设计与一种可以处理热量的燃料结合起来，你基本上就有了一个不会发生事故的反应堆。”

在常规核反应堆中，防止熔毁的主要防线是燃料控制棒，发电厂操作员用它来控制堆芯的裂变速率。如果事情变得太热，他们会把更多的棒推入核心，因此裂变速率和温度就会下降。世界上每个正在运行的核反应堆也都安放在一个巨大的安全壳结构中，该结构旨在防止放射性物质在出现问题时泄漏。

但对于TRISO燃料，这些安全功能是多余的，因为每个颗粒都有效地包裹在控制棒中。这为小型反应堆的设计打开了大门，而这在以前是不可能的。制造TRISO燃料和核反应堆的BWXT公司的核运营集团总裁乔尔·杜林(Joel Duling)说，“现在你不必去建造这个耗资数亿美元的反应堆大型安全壳，因为燃料本身就有安全壳。”“因此，你可以拥有一个可以装在货物集装箱里的反应堆，同时仍然具有传统商业反应堆的所有安全特征。”

Triso燃料自20世纪60年代就出现了，但它的制造成本很高，而且没有足够的能量密度来满足世界上大多数核电站中的巨型轻水反应堆的需求。然而，2015年，美国能源部(Department Of Energy)启动了核加速创新网关(Gateway For Accelerated Innovation In Nuclear)计划，开始支持开发小型高温反应堆的公司，但看起来Triso燃料的时代已经到来。只有一个问题：没有人生产它。

受铀价格和需求下降的刺激，美国的核燃料生产能力自20世纪80年代中期以来一直处于自由落体状态。但在2003年，BWXT与能源部合作生产用于测试的TRISO燃料，并证明如果需求出现，它可以大规模生产这种燃料。当时，乔治·W·布什(George W.Bush)总统正在推动美国迫在眉睫的“核复兴”，但事实证明，这一宣布为时过早。在联邦政府向一波核能初创企业注入数亿美元资金后，复兴在接下来的15年里才开始成为现实。直到去年10月，BWXT才宣布重新启动TRISO生产线，为未来几年将上线的下一代高温核反应堆供应燃料。

“在不远的将来，我们看到一波新反应堆的巨大需求，”杜凌说。“到20年代末和30年代初，Triso将取代Triso，成为主要的燃料类型。”

BWXT是美国仅有的两家开发用于商业生产的Triso燃料的公司之一，该公司还向美国政府供应Triso燃料，用于其实验性的3D打印核反应堆。另一家公司，总部位于马里兰州的X-Energy，对于核能业务来说是一个相对较新的公司，但自去年年初以来一直在橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)运营一个试点Triso生产设施。

将原始铀转化为Triso是一个多步骤的过程，首先要将铀-无论是从地球上开采的矿石还是从武器级材料中向下混合的铀-与化学品混合，将其变成凝胶状的珠子。这些珠子每个直径只有一毫米，稠度和糖豆一样，然后被放入熔炉中，熔炉中注入的气体会在烤箱中分解，在铀核周围沉积薄层石墨和碳化硅。结果是数以万计的坚不可摧的TRISO燃料颗粒被压成圆柱形或球形的燃料球。

BWXT制造的弹丸具有更传统的形状-一个子弹大小的小圆柱体-但X-Energy正在将其TRISO燃料放入一个台球大小的闪闪发光的银球中。X-Energy首席执行官、美国前能源部副部长克莱·塞尔(Clay Sell)喜欢称它们为“电力球”，并表示它们将被用来为公司的新反应堆Xe-100提供燃料。

Xe-100是一种小型卵石床反应堆，设计仅能产生75兆瓦的电力。(为了便于比较，今天美国最小的运行中的核反应堆的发电量约为600兆瓦。)。X-Energy负责燃料生产的副总裁皮特·帕帕诺(Pete Pappano)将其比作口香糖机器。帕帕诺说：“能量球穿过核心向下，从底部出来，然后回到顶部。”Triso球大约需要半年的时间才能完成通过反应堆内脏的循环。在需要更换之前，它可以通过内核六次。

还有其他好处。塞尔说，未来使用Triso燃料的工厂可以靠近用户，而不是需要在反应堆周围有几英里长的开放空间。赛尔说：“Triso在物理上是不可能熔化的--就像在违反物理定律的情况下一样。”“当你用不能熔化的反应堆启动时，你的安全状况就完全不同了。”这是国防部今年与X-Energy和BWXT签署协议，为偏远军事基地开发小型移动核反应堆的部分原因，也是NASA考虑为核动力航天器使用Triso燃料的部分原因。

与所有其他商业先进核反应堆一样，Xe-100目前正在接受核管理委员会(Nuclear Regulatory Council)的审查。这是一个漫长而艰巨的过程，但如果监管机构批准，帕帕诺表示，X-Energy准备在本十年结束前进行全面的反应堆演示。与此同时，X-Energy和BWXT都在专注于扩大他们的TRISO生产设施，以便当下一代核反应堆到来时，他们将拥有创造熔毁历史所需的燃料。

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