據(jù)報道，盡管核電仍有爭議，但新反應(yīng)堆的建造數(shù)量令人驚訝，它們將提供世界上第二大份額的無碳能源。隨著新技術(shù)的投入使用，這個行業(yè)也在經(jīng)歷著快速的變化。那么，在未來的幾十年里，核電會是什么樣子？
1942年12月2日，在芝加哥大學(xué)的Stagg Field足球場下面，芝加哥一號堆（Chicago Pile-1）被激活，成為世界上第一個（可控）核反應(yīng)堆。78年后的今天，440個反應(yīng)堆的發(fā)電量占世界總發(fā)電量的10%以上，目前還有50個反應(yīng)堆正在建設(shè)中。
盡管如此，核能還是遭受了非常糟糕的聲譽(yù)。像生活中的許多事情一樣，這是由一些復(fù)雜的因素造成的。核能對許多人來說仍然是一個神秘的東西。它與核武器聯(lián)系在一起，并且仍然處于幾十年的冷戰(zhàn)宣傳以及在美國、蘇聯(lián)和日本發(fā)生的三起極其引人注目的反應(yīng)堆事故的負(fù)擔(dān)之下。
在西方，反應(yīng)堆的建設(shè)和發(fā)展在20世紀(jì)的最后幾十年里放慢了腳步，但這個行業(yè)可能正處于復(fù)興的邊緣。盡管聲譽(yù)不佳，核能有許多優(yōu)勢。它不僅是無碳的，而且是無排放的。它以非常小的面積產(chǎn)生巨大的能量。它可以在任何地區(qū)選址。而且，令人驚訝的是，它的每千瓦死亡率是所有能源中最低的。
核電的成本
然而，核能有一個大問題，那就是成本。由于工廠的成本高達(dá)150億美元，建造一個反應(yīng)堆很少有利潤。相反，建設(shè)者的大部分收入來自于反應(yīng)堆的加注燃料和服務(wù)。
建造核電站成本高的主要原因不是因為它們是核電站，而是因為它們是大型的、通常是一次性的土木工程項目，數(shù)量很少，而且可能需要長達(dá)20年才能上線。核電站不是在工廠大規(guī)模生產(chǎn)，而是在現(xiàn)場建造。它們還需要一個復(fù)雜的許可過程，工廠的設(shè)計要在一套獨(dú)特的質(zhì)量、安全和安保要求下進(jìn)行測試、修改和重新測試，并且要求運(yùn)營商支付所有廢物處理費(fèi)用。
所有這些不僅會導(dǎo)致成本超支，所花費(fèi)的時間也意味著隨著工程師的衰老和退休，有很多機(jī)會失去經(jīng)驗。這導(dǎo)致了一些奇怪的現(xiàn)象，比如英國，它是核能的先驅(qū)之一，不得不去國外尋求幫助來建造該國的最新反應(yīng)堆。
有一些降低成本的方法，包括使用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，建造足夠多的工廠以保留技能和經(jīng)驗，采用各種管理精簡措施，以及最重要的，通過攻擊最大的建筑成本。核反應(yīng)堆在這些先進(jìn)系統(tǒng)的成本中并不占主導(dǎo)地位，相反，是土建工程、結(jié)構(gòu)和建筑；電氣設(shè)備安裝；以及現(xiàn)場這項工作的其他間接成本。
正因為如此，核工業(yè)正在尋求新的反應(yīng)堆設(shè)計，其中一些已經(jīng)開發(fā)了幾十年，不僅要降低建設(shè)和運(yùn)營成本，而且要提高安全性和效率，同時減少核武器擴(kuò)散的風(fēng)險。
未來的反應(yīng)堆設(shè)計
今天，核工業(yè)正處于第三代或第三代+。第一代的標(biāo)志是20世紀(jì)40年代末、50年代和60年代初的原型反應(yīng)堆，第二代的標(biāo)志是20世紀(jì)60年代中期至20世紀(jì)90年代中期的第一批商業(yè)輕水反應(yīng)堆。隨后是第三代，也是輕水反應(yīng)堆，但包括新技術(shù)，如更可靠的燃料、被動冷卻系統(tǒng)，以及不易發(fā)生故障的反應(yīng)堆芯。第三代+，將被建造到2030年代，是最新的反應(yīng)堆，是第三代設(shè)計的額外改進(jìn)。
接下來將是第四代，這是一個更加先進(jìn)和多樣化的設(shè)計系列，旨在通過采用新的反應(yīng)堆技術(shù)，以及新材料和新的制造技術(shù)，使核電站不僅成本更低，而且本質(zhì)上更加安全。
基本上，這些第四代反應(yīng)堆的特點(diǎn)是其冷卻劑，可以是水、氦、液態(tài)金屬或熔鹽。它們還根據(jù)其在中子譜中的運(yùn)行位置進(jìn)行區(qū)分。也就是說，是在熱中子譜還是在快中子譜中。在后者中，導(dǎo)致裂變的中子是由核反應(yīng)產(chǎn)生的，沒有被減緩，因此反應(yīng)堆在非常高的中子能量下運(yùn)行，而在前者中，反應(yīng)堆使用慢化劑來減緩反應(yīng)，這發(fā)生在較低的中子能量下。
New Atlas列出了一些第四代反應(yīng)堆。這不是一個詳盡的清單，但它確實包括了可能在21世紀(jì)中期出現(xiàn)的主要競爭者。
小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）
小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）是輕水反應(yīng)堆，基本上是今天使用的反應(yīng)堆的先進(jìn)版本，只是它們更小，可以像汽車一樣大規(guī)模生產(chǎn)。這些反應(yīng)堆旨在通過引入工廠制造技術(shù)來降低核能的成本。從本質(zhì)上講，這個想法是為了創(chuàng)造小型、標(biāo)準(zhǔn)化的反應(yīng)堆，每個反應(yīng)堆的容量小于300MWe。
與傳統(tǒng)反應(yīng)堆不同，SMR不是大型的土木工程項目，可能需要20年才能上線，再花20年才能實現(xiàn)盈利。相反，正如其名稱所暗示的，SMRs是基于一個更小、更簡單的設(shè)計，不僅由反應(yīng)堆的模塊組成，而且還包括大部分的支持部件。
這使得發(fā)電廠可以在工廠或船廠作為堅固的模塊建造，然后運(yùn)到現(xiàn)場進(jìn)行組裝。目標(biāo)是不僅降低成本，而且從根本上加快電廠建設(shè)和認(rèn)證，以開始運(yùn)行。
SMR的另一個優(yōu)勢是工廠的配置可以滿足不同客戶的需求。小的、相對孤立的社區(qū)可以訂購單反應(yīng)堆電廠，例如，可以為幾千個家庭和企業(yè)提供服務(wù)，而大城市可以有多個反應(yīng)堆的電廠，可以為數(shù)百萬人提供電力。由于它們很小，SMR可以用于專門的應(yīng)用，如石油勘探或為軍事基地服務(wù)。此外，模塊可以被設(shè)計成以最合適的方式運(yùn)輸，包括通過駁船、船舶、卡車、火車，甚至飛艇。
SMRs也因包含了被動安全系統(tǒng)而引人注目，這些系統(tǒng)只需要很少或不需要電力來運(yùn)行，并在事故發(fā)生時提供冷卻。它們也更容易屏蔽，而不需要大規(guī)模的混凝土結(jié)構(gòu)，因為它們可以很容易地安裝在地下或船舶或海上平臺上，它們位于水線以下，這與潛艇上的反應(yīng)堆的屏蔽方式相同。
高溫氣冷反應(yīng)堆（HTGR)
高溫氣冷反應(yīng)堆（TGR）是一種石墨調(diào)節(jié)的氦氣冷卻反應(yīng)堆，其工作溫度是傳統(tǒng)反應(yīng)堆的兩到三倍，但功率密度較低。這一概念自20世紀(jì)40年代以來一直在發(fā)展，但只是在最近幾年，該技術(shù)才開始成熟。
HTGR的基礎(chǔ)是它在TRi-structural ISOtropic（TRISO）粒子燃料上運(yùn)行。TSRIO燃料不是形成棒狀，而是由罌粟籽大小的顆粒組成，由鈾、碳和氧組成，密封在三層碳或陶瓷材料中，以容納核廢料。
這些顆粒被形成為圓柱形的小球或被稱為“卵石”的臺球大小的球體。這使得燃料非常堅固。它比傳統(tǒng)燃料更耐中子輻照、腐蝕、氧化和高溫。這意味著“卵石”不會在反應(yīng)堆中融化，而反應(yīng)堆可以在更高的溫度下運(yùn)行。此外，“卵石”可以在反應(yīng)堆中緩慢循環(huán)，廢“卵石”從反應(yīng)堆底部移走，而新“卵石”則在頂部被引入以取代它們。
氣冷快中子反應(yīng)堆（GFR）
氣冷快中子反應(yīng)堆（GFR）也是由氦氣冷卻的，但運(yùn)行的功率密度比HTGR高。它們最初是作為增殖反應(yīng)堆開發(fā)的，通過使用快中子而不是傳統(tǒng)反應(yīng)堆產(chǎn)生的慢中子，將釷或不裂變鈾同位素轉(zhuǎn)化為钚或裂變鈾同位素，從而產(chǎn)生比燃燒更多的燃料。
GFR的高級版本使用由陶瓷一碳化鈾燃料制成的核心，使其能夠在高溫下運(yùn)行。燃料也被配置成每一體積的燃料有高密度的鈾原子。
鈉冷快中子反應(yīng)堆（SFR）
另一個快速反應(yīng)堆是鈉冷快中子反應(yīng)堆（SFR），它是由液態(tài)鈉冷卻的，具有非常好的散熱能力。這些都是小型反應(yīng)堆，因為這允許固有的和被動的安全功能，而這些功能在大型鈉反應(yīng)堆中并不能很好地發(fā)揮作用。在美國，使用的燃料是包在鋼中的鈾和鋯的金屬合金，而在俄羅斯、法國和日本，傾向于使用氧化鈾燃料。這些燃料的熱密度低，所以如果反應(yīng)堆堆芯太熱，它會膨脹，導(dǎo)致核反應(yīng)自然減弱。
堆芯也非常緊湊，因為SFR有一個封閉的燃料循環(huán)。也就是說，作為核反應(yīng)的一部分，鈾和钚在堆芯內(nèi)被回收，使反應(yīng)堆在兩次燃料補(bǔ)充之間可以運(yùn)行幾十年。
鉛冷快中子反應(yīng)堆（LFR）
鉛冷快中子反應(yīng)堆（LFR）是基于為俄羅斯核潛艇開發(fā)的反應(yīng)堆設(shè)計，正如其名稱所示，使用鉛作為其冷卻元件。最新的版本在氮化鈾而不是二氧化鈾上運(yùn)行。與鈉一樣，鉛提供了一個類似的被動安全系統(tǒng)，在核反應(yīng)開始失控時自動進(jìn)行調(diào)節(jié)。
氟鹽冷卻高溫堆(FHR)
氟化物冷卻高溫反應(yīng)堆（FHR）是由氟化鋰和氟化鈹鹽的熔融混合物而不是氦氣冷卻的高溫反應(yīng)堆。這些反應(yīng)堆的功率密度是使用TRISO-粒子燃料技術(shù)的高溫反應(yīng)堆的10倍。與氦氣冷卻的反應(yīng)堆相比，氟化鹽允許反應(yīng)堆在較低的溫度下運(yùn)行，未來的設(shè)計將使用“卵石”燃料。
熔鹽反應(yīng)堆（MSR）
在熔鹽反應(yīng)堆（MSR）中，熔鹽既是冷卻劑又是燃料。燃料不是被制成棒狀、球狀或卵石狀，而是被混合到氟化鹽中，流經(jīng)石墨或類似的慢速中子生成器并控制反應(yīng)。
MSRs可以在更高的溫度下運(yùn)行，盡管這帶來了腐蝕問題，所以設(shè)計傾向于更冷的版本。然而，通過結(jié)合冷卻劑和燃料，清除廢物和引入新燃料比傳統(tǒng)反應(yīng)堆要容易得多。
第四代以后
隨著對無碳能源的需求增長，導(dǎo)致更多的核電站在世界各地建造，我們將看到這些第四代反應(yīng)堆上線。由于它們被設(shè)計為更便宜和更快地建造，它們很可能很快變得非常普遍。但是第四代之后會是什么？第五代將是什么樣的？
在許多方面，它們將是第四代反應(yīng)堆的更先進(jìn)版本，建立在上一代的經(jīng)驗教訓(xùn)上，但我們也可能看到新的核電站用于新的利基應(yīng)用。研究人員已經(jīng)有計劃建造在月球上使用的小型反應(yīng)堆，并且正在進(jìn)行技術(shù)研究，比如像蠟燭一樣燃燒的核燃料，反應(yīng)從一端開始，隨著逐漸吞噬燃料而轉(zhuǎn)移到另一端。
我們還可能看到對核反應(yīng)堆設(shè)計的其他方法的重新審視，這些方法是基于幾十年前的實驗，但由于更有前途的解決方案而被放棄。其中一些被徹底放棄了，甚至該領(lǐng)域的專家對它們也只有模糊的了解。現(xiàn)在，它們又被重新審視。也許有一天，"核燃料"一詞不僅意味著鈾和钚，還意味著像釷這樣不太為人所知的材料。
