核反应堆发展史

“你必须了解过去才能了解现在”--卡尔·萨根。

早在核裂变发现之前，经济核电的梦想就诞生了，但对它的追求始于20世纪40年代末，仅在美国就有大约10万人参与了数十年的探索。这一页是从1945年到1970年(也被称为核能全盛时期)反应堆发展计划的盛大之旅。当我们今天继续进行新的反应堆开发计划时，记住当时所做的一切可能有助于引导未来的发展。

1938年发现核裂变时，天然铀中的235U含量为0.7%(地球形成时超过25%)。如果没有同位素浓缩(水中的铀或氢)，只有极少数的构型才能维持连锁反应。恩里科·费米和他的同事。到1942年，他弄清楚了这一点，并运营了第一个核反应堆，芝加哥堆1号(CP-1)，使用的是小心翼翼地分散在芝加哥一个壁球场的高纯石墨块格子里的天然金属铀。

注：本文主要是从美国的角度撰写的。其他国家的发展在这里没有很好地报道。此外，事件链很难分类，因此后续事件的时间线性度不是很理想。

大量的财富和精力首先被投入到核反应堆的发展中，因为原子链反应的独特特性可以提供基本的和戏剧性的军事战略优势。因此，第一批高功率反应堆被设计和建造来生产钚作为核爆炸的燃料，就像CP-1一样，它们将天然铀燃料分散在石墨慢化剂中。

与CP-1不同的是，汉福德反应堆是用普通水冷却的。因为水是非中子吸收器，所以反应堆必须很大，而且需要超纯石墨，吸收中子的杂质(如硼)最少。它还需要大量的金属天然铀。尤金·维格纳(Eugene Wigner)建议用低压低温水而不是高温高压氦进行冷却，因为他担心这种燃料无法经受高温，而且抽出和维持氦的库存将是一项挑战。他的计算表明，水冷反应堆确实会产生连锁反应，他坚定不移地打击纳粹的努力增强了他的信心。建造了水冷反应堆。

在汉福德生产钚的B反应堆投入使用后，设计它的科学家们开始设想一个更好的时期，超越战争，届时新发现的原子力量可以应用于人类的和平浓缩。第一次记录在案的反应堆创新会议大约在这个时候举行。许多反应堆的概念都是在这些新堆委员会会议上梦想成真的。没有人知道核电站能否与传统发电厂相比具有成本竞争力。

战后，民用原子能委员会(AEC)根据1946年“原子能法案”的授权，承担了美国核技术的责任。建立新的武器材料生产能力和武器技术主导了它的努力，但动力反应堆的开发确实在这个时候合法地开始了。

真正奇特的能量转换在20世纪40年代被认真考虑(热电子学、吸热化学反应等)，但在标准蒸汽循环中将热能转换为电能被认为是获得经济核电的最简单方式。这种转换需要高温、耐久的燃料，可以承受强烈的辐射环境。这是与钚生产反应堆的根本技术背道而驰的，后者产生的热量只是一种滋扰，并被保持在较低的温度下。罗伯特·奥本海默很好地解释了这一点。

1947年，AEC提出并资助了四个新的反应堆，所有这些反应堆都利用了新的浓缩铀而不是天然铀。这四个项目都是在20世纪50年代初完成的：

快速反应堆-探索育种可能性的快速反应堆(现在称为EBR-1)。

海军热反应堆--潜艇推进的原型(现在称为STR或S1W)。

材料测试反应堆(MTR)-一种用于调查潜在材料的测试设备，可用于动力反应堆的建造。材料对电力生产所需环境的抵抗力是电力反应堆发展面临的主要挑战。

Knolls中间反应堆-探索繁殖的可能性并开发可用的电源(不久将被重新用作另一艘潜艇原型，称为SIR和/或S1G)。

前三个是在爱达荷州建造的，因此创建了当时被称为国家反应堆测试站(NRT)的地方，现在是爱达荷州国家实验室(INL)。第四个是建在纽约州斯克内克塔迪以北的一个巨大的球体里，位于诺尔斯原子能实验室凯斯林(Kesselring)基地的中心。在设计地铁期间，橡树岭国家实验室(ORNL)建造了一个机械模型反应堆，然后他们将其改造成一个真正的反应堆，名为LITR：第一个水冷水慢化反应堆。

由于核武器的破坏力比常规炸药大几个数量级，潜艇、船只、火箭和飞机的核发动机提供的射程比常规燃料大几个数量级。因此，链式反应堆的下一个主要应用是在专门的军事环境中。

核动力海军是由海曼·G·里科弗上尉研制的。里科弗在海军推进发展中的作用是不言而喻的，但他对商业工业的影响怎么夸大都不为过。他于1900年出生在波兰的一个犹太人区，6岁时搬到纽约，然后搬到芝加哥西区。他于1918年进入海军学院，1929年要求潜艇服役。他把德意志帝国海军的Das Untersee Boot翻译成个人兴趣的劳动。1937年，他成为一名仅限工程值班(EDO)的军官，专注于船舶的设计、建造和维护。二战结束后，他被派往橡树岭学习核技术，作为研究核船推进的团队的一员。他确立了自己作为团队领导人的地位，并努力争取资金和权力，以启动海军反应堆计划。

他启动了两个并行的海军推进反应堆开发计划：钠冷铍反射/慢化反应堆(Genie项目)和压水堆(向导项目)。

Alvin Weinberg和Oak Ridge团队建议使用加压水作为潜艇反应堆的冷却剂和慢化剂，原因有两个：(1)水中中子的传播距离是它们在石墨中传播距离的五分之一，因此水反应堆可以非常紧凑(适合小型封闭空间)，以及(2)水系统在海军环境中简单、熟悉和可靠。ORNL团队初步绘制了这样一个反应堆的草图。

ORNL的前期工作与刚刚取消的Daniels堆项目的工程师团队一起被移交给Argonne，该项目曾试图开发一种使用高浓缩铀的高温卵石床气冷动力反应堆。

与主流观点(例如温伯格的观点)相反，Rickover大胆地决定在爱达荷州建造完整规模的鹦鹉螺原型反应堆(STR)，而不是首先建造一个便宜得多的试点模型。与此同时，康涅狄格州开始建造鹦鹉螺号潜艇本身。里科弗无情而咄咄逼人的计划是基于这样一种信念，即谁最先开发出核发动机，谁就会统治海洋。

Rickover严格要求这两个项目必须配合在一起。在一次检查中，他迫使爱达荷州的团队将一个咖啡壶移到船体外，因为它不会在真正的潜艇上。

在STR研制期间，在MTR中测试了辐射对部件和设备的影响。Vavast Program成功开发了采用适当轴承、薄不锈钢或Inconel衬套、电机绕组冷却和高压电气端子密封的密封泵。开发了全系列全密封、液压操作的不锈钢一次系统阀门。研制了厚壁不锈钢管的焊接工艺。发现并理解了焊接性和焊接裂纹作为材料成分的函数。提出了支持垃圾处理、冷却液净化、应急冷却、燃料搬运、通风等辅助系统的设计准则，以及满足要求的可行工程技术。

在爱达荷州进行了大规模反应堆技术开发计划和陆基原型反应堆的运行后，核反应堆的第二个主要应用成为海军潜艇的推进系统，标志是1955年1月17日美国鹦鹉螺号发出的信息：

核燃料惊人的高能量密度使潜水员们可以进行疯狂的新冒险，比如第一次到达北极海底，第一次在一次不间断的潜水过程中环游世界。当时年轻的人们(比如格温妮丝·克雷文斯)都记得这样的冒险经历非常鼓舞人心。

通用电气正在为AECat KAPL工作的钠冷中光谱电力增殖器被突袭到海军反应堆开发计划中，它的第一个反应堆成为美国海军海狼号(USS Seawolf)的陆基原型。起初，Rickover更喜欢使用铍反射器/慢化剂的钠冷方法，因为它使用无声电磁泵，并提供非常高的热效率。原型(S1G)由于液态金属钠和所使用的特殊钢之间的不相容而在过热器中发生泄漏。由于Rickover坚持与实物同时建造原型，真实的海狼也经历了过热器泄漏。他们堵塞了管道，进行了艰难的维修(钠具有高诱发放射性和高化学反应性)，最终绕过了过热器。海狼的工作效率降低，工作时间长达数万个小时，但最终它的推进系统换成了压水堆。

在海军推进项目的同时，还启动了飞机核推进(ANP)计划。远程轰炸机可以在空中停留数月或数年，射程不受限制，被认为具有重要的军事意义。此外，还进行了重要的R&Amp；Don核动力巡航导弹和超音速喷气式飞机。

ANP是一个庞大的计划，跨越10多年和10亿美元(1955年)。肯尼迪在阿尔文·温伯格的建议下在总统任期早期结束了该计划。洲际弹道导弹的进步有效地消除了对核动力轰炸机的需求。今天仍在积极讨论的熔盐反应堆技术是这一大规模发展计划的直接后代。

随着海军和空军反应堆项目的全面展开，陆军也不甘示弱。陆军核电计划(ANPP)的重点是在偏远地区部署非常小的反应堆。它开始于20世纪50年代末和60年代初，在海军和空军项目之后很久。小型核反应堆在工厂建造和测试，然后运往格陵兰(世纪营)的一个军事冰基地、南极洲的麦克默多站、巴拿马运河的移动驳船、怀俄明州的圣丹斯空军基地和阿拉斯加的格里利堡进行运输、重新组装和运行。一种奇异的氮气冷却车载模型在爱达荷州开发和测试，但没有部署。

继STG和Nautilus之后，运行的第三座压水堆是根据ANPP建造的第一座核电站：APPR-1(后来指定为SM-1)。它是由美国铝业公司和斯通&韦伯斯特公司建造的，并于1957年4月上台。虽然Shippingport的设计工作早于APPR-1的工作(下面讨论)，但APPR-1团队率先提出了一些想法，例如垂直蒸气容器，而不是Shippingport的水平想法。他们在考虑内部导弹保护的同时进行了很多创新，但最终得到了一项相当昂贵的增援工作。

在制造燃料之前，Alco Products建造了一个关键的测试设施，用他们提出的燃料和控制设计进行零功率实验。模型堆芯是在2500平方英尺的面积内建造的。英国“金融时报”到1957年，他们开始邀请其他公司在那里进行相关的实验。

AEC执行了几个专门致力于寻求经济核电的项目。在这一时期，它的前景是高度试探性的，实现这一目标所需的工作量定期进行了相当准确的估计(制造少量电力需要3-5年，贡献重大电力之前需要20-30年)。尽管如此，每个人都急于看看能否做到这一点。

1954年，AEC宣布了政府资助的从商业角度探索反应堆概念的五年计划。其中包括：

艾森豪威尔(20年来的第一位共和党总统)在1953年12月著名的原子促进和平演讲中大大增加了AEC对私人参与核技术的关注。1955年，第一次关于和平利用原子能的国际会议在热内温举行。这是一个令人难以置信的事件，充满了乐观和兴奋，私人资金、所有权和运营正在进行中。

代表团报告的第二卷(1955年6月24日)记录了AEC主席施特劳斯关于美国工业如何愿意承担电力发展反应堆计划工厂成本的90%的激动人心的演讲。他还暗示了政治局势，为囤积武器辩护，以抵御“那些在扩张自己无情的哲学中破坏自由的人的威胁”。虽然常规武器的投资只能在和平时期作为废料回收，但储存的核材料可以在以后用于和平目的：

但是，当我们的原子军备不再需要来威慑侵略的那一天到来时，它所包含的核材料可以很容易地转化为能源，提供非常大的动力来推动工业的车轮，为我们提供光、热、交通以及许多其他便利和和平的祝福。我们在原子能委员会工作的人在使用之前就怀着那一天的愿景工作。

旁白：2003年至2013年间，美国整整10%的电力来自拆除的前苏联核弹，这一愿景真的实现了。

当然，“争取和平原子”包含了一定的宣传元素。所有参与其中的人都想实现和平应用于可怕的武器。到这个时候，热核聚变“氢弹”已经研制出来，其威力确实比投放在日本的原子弹大1000倍。它们的可怕影响几乎是难以理解的。尽管如此，利用新发现的自然力量通过制造有用的力量来改善文明是一个崇高的目标。

AEC的电力示范反应堆计划(PDRP)是在1954年的“原子能法案”允许私人拥有和运营反应堆之后启动的。它涉及来自私营行业的三个独立的提案请求，其中AEC将提供核燃料，并进行必要的研究和开发工作，以推动商业核电站的发展。

在下图中可以看到1955到1960年间的三次邀请，一些杂乱无章的建议在1960年左右陆续出现。公用事业财团提交了大量大胆的建议书，涉及各种反应堆类型和大小，包括加压和沸水反应堆、一个有机冷却/慢化反应堆、两个核过热堆、一个钠冷却快堆和一个钠/石墨中间反应堆。

STR和APPR-1的积极经验，加上走在俄罗斯前面和赶上英国的强烈愿望，导致了对大规模水冷示范反应堆的强烈支持。与此同时，艾森豪威尔刚刚取消了一项陷入困境的航空母舰原型反应堆项目的资金。该项目被改造成一种名为Shippingport的商用电力原型。它将成为美国第一座商业核电站。

最初的Shippingport堆芯使用的是高浓缩铀。开发了水条件下的高温、高燃耗燃料。水中的金属铀燃料很快就失败了。当他们将铀与钼、铌和两者合金化时，他们发现了令人振奋的结果。含硅3.8%的合金与金属间化合物U3Si硅化物也很有希望(最近被重新命名为事故容忍型燃料)，但用这种燃料进行合适的复合材料制造工艺还很难找到。必须开发高温堆内回路来执行这一合金开发计划(在爱达荷州的MTR和加拿大的NRX)。遇到了铀钼包层的问题，发现了中速中子的高速吸收。在此过程中，人们发现氧化铀陶瓷作为反应堆燃料的性能出人意料地好。

在早期的航运港口运营中吸取了许多经验教训。在其他阀门的操作过程中，阀门有时会在打开和关闭之间来回跳动，在某些情况下，阀门会从关闭状态漂移到打开状态。稳压器蒸汽安全阀由于热变形而泄漏。在四个蒸汽发生器中发现了由应力腐蚀引起的泄漏。由于振动，汽轮机水分分离器的碎片最终脱落并卡在汽轮机低压叶片中。冷却液中出现了过量的裂变产物，很可能是由于UO2毯状棒有缺陷。

尽管遇到了麻烦，Shippingport是一家成功运营的工厂，但其资本成本大约是同等的化石燃料工厂的10倍。经济的核电是难以捉摸的。

考虑到Shippingport的现实，公用事业公司继续犹豫不决。AEC的公私PDRP促使压水堆走向商业化。罗威的扬基反应堆是在PDRP的第一轮中由10家新英格兰公用事业公司组成的财团提出的，他们为整个资本成本提供了资金。它在1961年1月达到了110兆瓦的满功率。洋基第一堆芯是第一个使用不锈钢覆层的UO2燃料。洋基的经验是非常积极的，从研发到建设再到运营，他们完成的工厂比预计的资本成本低23%。现在情况正在好转。

印第安点是一座163兆瓦的压水堆，1962年8月进入临界状态，高浓缩铀和钍的均匀混合氧化物。其目的是开发用于动力育种的钍燃料循环，以便扩大压水堆的可用资源，以便在全球范围内扩大船队规模。钍燃料的好处被证明是难以捉摸的，因此第二个核心是不含钍的低浓缩铀。

同样在1962年，小型20兆瓦萨克斯顿压水堆“挂钩”反应堆成为宾夕法尼亚州的关键。它为现有的化石动力涡轮机增加了核电蒸汽。

圣奥诺弗雷和康涅狄格州扬基州在1968年上线，然后在某种程度上订单泛滥，成为今天核舰队的主要部分。

1960年2月，NS Savannah商船核心的陆基原型在弗吉尼亚州林奇堡建造并投入使用。该反应堆拥有全长燃料组件，并在完成NS Savannah工厂之前提供了所需的信息。

核动力商船可以帮助脱碳和清理国际航运。然而，大多数国际港口基本上都禁止这艘这样的船进入。因此，要么心灵和思想必须彻底改变，要么需要某种核动力深海拖船/驳船系统才能在希塞达取得进展。

在军事方面，已经建造了数十个新型海军压水堆的陆基原型，以及数百个部署在海上的原型(MOSTL。

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