2000年，柯克?索倫森（Kirk Sorensen）還是美國國家航空和宇宙航行局（National Aeronautics and Space Administration）的一名工程師。當(dāng)時(shí)，他在尋找為未來群居月球提供核動(dòng)力的備選方法。他偶然看到了一本描述熔鹽反應(yīng)堆的書，書中談到用液態(tài)核燃料作為能量來源。
這聽起來有點(diǎn)不可思議，索倫森說道。據(jù)他所知，所有核反應(yīng)堆都用固態(tài)鈾做燃料，最初的“輕水”反應(yīng)堆現(xiàn)在在核能行業(yè)是主流。然而，這本書解釋說，田納西州的美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）已對(duì)熔鹽反應(yīng)堆進(jìn)行三十多年的研究。而且，液態(tài)鈾、即含釷燃料具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。例如，即使遭遇災(zāi)難性的核反應(yīng)堆堆芯溶化，熔鹽反應(yīng)堆也不會(huì)受影響，不會(huì)產(chǎn)生帶有钚及其他長期存在的放射性同位素的核廢料，會(huì)將那些同位素完全破壞掉。
索倫森說，優(yōu)勢數(shù)不勝數(shù)，“幾乎所有熔鹽解決核能問題的方式都可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過”輕水反應(yīng)堆的。他問道：“那么，我們何不從一開始就采取這樣的方式呢？
過去的十年中，很多人在問這個(gè)問題，不僅僅就熔鹽反應(yīng)堆一事。由于戰(zhàn)爭安排，美國研究項(xiàng)目1976年放棄了那項(xiàng)特別技術(shù)的研究。不過，它僅僅是在核能商業(yè)化大潮中第一波就擱淺的眾多替代技術(shù)之一。其他的技術(shù)還包括能夠燃耗核廢料的“快速”反應(yīng)堆，以及大量減少溫室氣體排放的工業(yè)無碳供熱高溫反應(yīng)堆。總體來看，這些替代技術(shù)可以彌補(bǔ)大部分、甚至是所有核能的缺陷。而數(shù)十年來，因?yàn)槿粘逃?jì)劃和融資水平都在不斷變化，研究人員對(duì)這些技術(shù)的關(guān)注也時(shí)斷時(shí)續(xù)。
現(xiàn)在，改變或許即將到來。過去十年中，一些國家對(duì)安全無碳能源的需求激發(fā)了政府對(duì)替代核能技術(shù)的興趣，企業(yè)也在努力重啟并推廣一些核能設(shè)計(jì)。特別是在中國等發(fā)展迅猛的國家。樂觀人士認(rèn)為，即使去年發(fā)生了日本福島第一核電站的災(zāi)難，也最終會(huì)推動(dòng)人們選擇更安全的核反應(yīng)堆。去年，索倫森為促進(jìn)熔鹽反應(yīng)堆商業(yè)化在阿拉巴馬州亨茨維爾創(chuàng)立了福利波能源公司。無論是福利波能源這樣處于起步階段的公司，還是正在開發(fā)商用快速反應(yīng)堆的通用電氣-日立核能這種工業(yè)巨頭，大小企業(yè)都希望準(zhǔn)備就緒。
然而，復(fù)興這些技術(shù)并非一日之功，不會(huì)一蹴而就。盡管基礎(chǔ)設(shè)計(jì)幾十年前就已完成，但要實(shí)際運(yùn)行，工程師們還必須進(jìn)行多種開發(fā)，如開發(fā)防輻射材料、更高效的換熱器、改良的安全系統(tǒng)。然后，他們必須向監(jiān)管機(jī)構(gòu)證明，所有這些安全系統(tǒng)都能發(fā)揮作用?！昂瞬⒎且资隆?， 馬薩諸塞州劍橋市“憂思科學(xué)家聯(lián)盟”（Union of Concerned Scientists）的高級(jí)全球安全分析師埃德溫?萊曼（Edwin Lyman）表示，“它成本高，見效慢，風(fēng)險(xiǎn)極大，因?yàn)楸仨毧紤]安全因素”。
但相關(guān)人士都堅(jiān)信：未來核工業(yè)最美好的前景就是回到過去。正如索倫森就取消熔鹽項(xiàng)目指出的：“從來沒人說過，‘我們可能錯(cuò)了，也許應(yīng)該回到從前，重新審視那個(gè)決定?！?。
輕水反應(yīng)堆之所以占主導(dǎo)地位，并不是因?yàn)樽詈?，而是最早。它最初開發(fā)是在20世紀(jì)40年代后期，當(dāng)時(shí)要為核動(dòng)力的船舶和潛艇提供緊湊型的發(fā)電設(shè)備。20世紀(jì)50年代，美國試圖在原子能問題上扮演和平角色，于是創(chuàng)立了商業(yè)化的核能工業(yè)，輕水堆設(shè)計(jì)也由此得到改進(jìn)和按比例增加?！拜p水”是流過堆芯的普通水。它吸收了堆芯的熱能，再傳遞給常規(guī)核蒸汽機(jī)輪，從而將熱能轉(zhuǎn)化為電能。
最后，這些反應(yīng)堆組成一個(gè)更大的系統(tǒng)，補(bǔ)救了低效率的基本問題，因?yàn)槿绻挥袉为?dú)一個(gè)反應(yīng)堆，會(huì)很快自己產(chǎn)生毒物。隨著連鎖反應(yīng)進(jìn)行，鈾原子裂變產(chǎn)生的碎片越積越多，為保證反應(yīng)不斷進(jìn)行反應(yīng)需要吸收的中子越來越多。也許18個(gè)月以后，燃料燒完了就必須移去反應(yīng)堆，即使里面還有很多原始能量。
前美國能源部核能辦公室負(fù)責(zé)人、美國核管理委員現(xiàn)任委員威廉?馬格伍德說：“所以我們以前總想能有種回收二手燃料的基礎(chǔ)設(shè)備，可以再次獲得更多的燃料能量?！痹偬幚砉S遍布世界。這些工廠回收用過的核燃料，再通過化學(xué)方式提取仍然可用的部分，多是鈾-235，還有不可裂變元素鈾-238吸收中子形成的可裂變元素钚-239，然后將它們變?yōu)樾碌姆磻?yīng)燃料。最終，按計(jì)劃會(huì)轉(zhuǎn)變成新一代“增殖”反應(yīng)堆，以使钚的產(chǎn)量最大化。唯一的廢料是極少的強(qiáng)放射性裂變殘留物，其中的放射性物質(zhì)可能需要幾個(gè)世紀(jì)才能衰變。處理時(shí)這些殘留物將投入精心設(shè)計(jì)的混凝土貯倉。
馬格伍德說，20世紀(jì)60年代到70年代早期，這種設(shè)想主導(dǎo)著美國的戰(zhàn)略發(fā)展，當(dāng)局不再將多數(shù)研究費(fèi)用用于非增殖反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，比如熔鹽反應(yīng)堆。該方案運(yùn)用廣泛：目前全世界運(yùn)營的437座核電反應(yīng)堆里，有356座是輕水反應(yīng)堆。
但是后來，到了1974年5月，印度測試了一枚核彈，其中的鈾元素就是從核反應(yīng)堆燃料中提取而來。世界各國政府突然間被迫面對(duì)一個(gè)地緣政治方面的事實(shí)：大規(guī)模商業(yè)化核燃料回收將導(dǎo)致肆無忌憚的核武擴(kuò)散。因?yàn)槊考以偬幚砉S都會(huì)處理成噸的钚元素，足以制造核彈。制造一件核武器只需要4到6公斤的钚。審查機(jī)構(gòu)又如何確定誰都沒有改變這些钚的用途？
所以，1977年4月，美國總統(tǒng)吉米?卡特禁止商用再處理。幾年以后，新任美國總統(tǒng)羅納德?里根廢除了該禁令，但是回收成本非常高，所以從那時(shí)起，僅有兩家法國的商用再處理工廠運(yùn)營。大部分增殖反應(yīng)堆的研究都停止了。因?yàn)闆]有了再回收，它們的存在就變得毫無意義。工程師們發(fā)現(xiàn)自己面臨如何處理燃料廢棄物這個(gè)棘手問題。由于鈾-239的半衰期為2.41萬年，現(xiàn)在他們要使上萬噸二手核燃料離析，則需要幾百個(gè)世紀(jì)。可是，還沒人想到保證離析按時(shí)完成的方法。
與此同時(shí)，在20世紀(jì)70年代，對(duì)安全問題的抗議與日俱增。不管出于什么原因，只要流過輕水反應(yīng)堆的水流受阻，熱量就會(huì)困在堆芯。從技術(shù)上講，即使關(guān)閉反應(yīng)堆，核裂產(chǎn)物仍會(huì)在放射性衰變過程中產(chǎn)生熱量，足以融化燃料，逃出反應(yīng)堆。所有的輕水反應(yīng)堆有緊急備用冷卻系統(tǒng)，如果這種系統(tǒng)失靈了怎么辦？ 1979年3月，這種擔(dān)憂成為現(xiàn)實(shí)：賓夕法尼亞州哈里斯堡附近的三里島核電站發(fā)生冷卻劑意外事故，引發(fā)部分反應(yīng)堆熔毀。2011年3月，日本福島核電站發(fā)生核泄漏，反應(yīng)堆堆芯全部熔化。這次事件也進(jìn)一步證實(shí)了人們的憂慮。
三里島事件后，由于公眾和政治的強(qiáng)烈抗議，全球出現(xiàn)長達(dá)25年的 ‘核能管制’。電力公司廢除了核擴(kuò)展計(jì)劃，取消了幾乎所有的反應(yīng)堆訂單。業(yè)內(nèi)探索新技術(shù)的意愿減少。加州大學(xué)（伯克利分校）的核能工程師派爾?彼得森表示，“他們規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，避開自己沒有豐富經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)和材料”，他們知道這么做能獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)。
因?yàn)闃I(yè)內(nèi)幾乎沒有興趣，也沒有部署的現(xiàn)實(shí)愿望，研究先進(jìn)的反應(yīng)堆就要克服指示與支持的負(fù)面影響。美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的核能專家麥克?考拉蒂尼（Michael Corradini）稱：“如果總是大起大落，就很難規(guī)劃和進(jìn)行尖端工程研發(fā)?！?
這種情形在2000年前后才得以改善?！爸袊湍蟻喴褑?dòng)核電建設(shè)，任何石油和天然氣資源匱乏的國家都會(huì)這樣?！眲蚵槭±砉W(xué)院的核工程師查爾斯?福斯貝回憶說。（目前全球范圍內(nèi)有64座核能反應(yīng)堆正在興建，還有數(shù)百個(gè)已籌劃。）在美國，他說，“聯(lián)邦政府意識(shí)到，如果在核能方面我們沒有任何行動(dòng)，就分不到這杯羹”。氣候變化也推動(dòng)美國和歐洲對(duì)核技術(shù)重新產(chǎn)生了興趣。福斯伯格說，由于風(fēng)能和太陽能發(fā)電量不穩(wěn)定，“如果要擺脫化石燃料，必須有個(gè)正式的核項(xiàng)目?！?
可選模組的首選是高溫反應(yīng)堆。這個(gè)名字恰如其分地透露了這種反應(yīng)堆的工作方式：產(chǎn)生的蒸汽溫度高達(dá)1000℃，比約300℃的輕水反應(yīng)堆溫度高得多。這需要完全不同的設(shè)計(jì)方案，比如，使用氦氣而非水帶走熱量，并采用氧化物和鈾的碳化物制成耐熱燃料。
“如果要擺脫化石燃料，必須有個(gè)正式的核項(xiàng)目。”
這種反應(yīng)堆不可能熔化。它的燃料溫度穩(wěn)定在1600℃，比堆芯高幾百度，即使失去了所有能量和冷卻劑，也是這種溫度。高溫會(huì)使反應(yīng)堆更高效地發(fā)電。為工業(yè)生產(chǎn)過程提供熱量時(shí)，碳排放可以大幅減少。在美國，大約23%的能源用于工業(yè)，如石油裂化和塑料制造。許多工業(yè)生產(chǎn)需要達(dá)到至少700℃的溫度。目前往往通過燃燒天然氣獲得這樣的溫度，高溫反應(yīng)堆可以提供無碳的替代能源。
商業(yè)高溫反應(yīng)堆全球普遍開發(fā)不足。但是今年，石化公司和反應(yīng)堆制造商組成的財(cái)團(tuán)已經(jīng)同意支持法國巴黎阿?，m（能源）公司的安斯塔瑞（Antares）高溫反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。阿?，m公司部門負(fù)責(zé)人弗雷德?摩爾說：“接下來要為了達(dá)到核管理委員會(huì)的技術(shù)要求而進(jìn)行設(shè)計(jì)，并努力獲取許可，大約投入8億美元?！蹦柕牟块T向密歇根州米德蘭市陶氏化學(xué)公司提供電力和蒸汽。他估計(jì)，為安斯塔瑞設(shè)計(jì)和得到許可的過程需要5-7年時(shí)間。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，這種高溫系統(tǒng)將在2020年-2030年開始動(dòng)工，是要部署的首批先進(jìn)反應(yīng)堆之一。
快堆也不甘落后。它能解決高溫堆無法解決的核廢料問題，能消耗這類物質(zhì)，將廢物轉(zhuǎn)化為能量，緩解廢料處理問題。
剛從新裂開的原子核爆發(fā)出來的裂變中子很“快”，平均能量約200萬電子伏特。在輕水堆中，與冷卻水中的氫原子核碰撞后，中子的速度會(huì)變慢至一電子伏特，這就使得中子更容易引起又另一次裂變反應(yīng)。但是，慢速的中子有個(gè)缺點(diǎn)：它不但不會(huì)分裂目標(biāo)鈾原子核，反而會(huì)被鈾原子核吸收，使原子核變成钚、镎、镅、鋦或其他重元素的長壽命同位素。這些元素集中起來就讓二手燃料處理成為惡夢。相比之下，快中子鮮被吸收。它們不常與目標(biāo)碰撞，而一旦碰撞，就會(huì)令目標(biāo)分裂，幾乎百發(fā)百中。因此，快中子不僅不會(huì)產(chǎn)生長壽命同位素，他們甚至能摧毀廢燃料中的長壽命同位素。
彼得遜說，建快堆是件棘手的事，尤其是因?yàn)榭於驯仨氂梢衡c或其他不會(huì)像水致使中子減速的物質(zhì)冷卻。因此設(shè)計(jì)快堆是項(xiàng)大工程。他說，“而且，要給動(dòng)力渦輪機(jī)提供蒸汽就得建立熱交換器，這也很有挑戰(zhàn)性”，因?yàn)殁c遇水會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，并生成爆炸性氫氣。他說，研究者們正積極研究不會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)太激烈的冷卻方案，比如鉛和超臨界二氧化碳。
然而，在約20個(gè)多年運(yùn)轉(zhuǎn)的快堆之中，許多快堆沿用的還都是20世紀(jì)70年代增殖反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)，當(dāng)初建增殖反應(yīng)堆是為了盡量增加钚的產(chǎn)量，不是要消耗它。至少有四家生產(chǎn)商在開發(fā)產(chǎn)生核廢料的小型快堆。典型的例子是美國北卡羅萊納州威明頓市的通用電氣-日立工廠的“超大功率反應(yīng)堆創(chuàng)新小模塊”（S- PRISM）。它需要使用緊湊型納冷卻快堆，而且結(jié)合了一種回收裝置。這種裝置能帶走反應(yīng)堆用過的燃料，去除阻礙核反應(yīng)的裂變產(chǎn)物，將更新的燃料送回反應(yīng)堆。這種反應(yīng)堆絕不會(huì)離析原子彈原料——钚。
通用電氣-日立工廠高級(jí)反應(yīng)堆開發(fā)負(fù)責(zé)人埃里克?洛溫說，市場潛力巨大，“我們與英國合作，正進(jìn)行可用性研究。我們會(huì)從再處理工廠取出100噸钚，把它變成一種能源?！甭鍦剡€說，在美國和其他地區(qū)，“我們的目標(biāo)是形成高級(jí)回收中心網(wǎng)絡(luò)”，每個(gè)地區(qū)都會(huì)有六個(gè)S-PRISM反應(yīng)堆和一個(gè)回收中心。這個(gè)回收中心能滿足處理一到三個(gè)輕水堆廢物的需要，并能及時(shí)處理目前存儲(chǔ)的積壓廢物。
洛溫說道，這樣的網(wǎng)絡(luò)成本不低，但根本的挑戰(zhàn)來自政界。福斯伯格和很多其他專家也表達(dá)了同樣看法：需要“一種政策框架，它能令人將和廢料當(dāng)作財(cái)產(chǎn)，而不是垃圾?！?
固體反應(yīng)堆燃料的一大優(yōu)勢在于其可預(yù)見的幾何形狀。而一大劣勢是這種反應(yīng)堆的復(fù)雜性。從中子轟擊的強(qiáng)度、核分裂產(chǎn)物的分布到燃料晶體結(jié)構(gòu)的輻射損傷，一切都不斷變化。這一直讓設(shè)計(jì)師頭疼，因?yàn)橐吡Υ_保反應(yīng)堆能穩(wěn)定運(yùn)行，并試圖說服調(diào)試者，即使是在最危機(jī)的時(shí)刻都不允許燃料的任何部分裂成臨界質(zhì)量。
但要到燃料變成液體時(shí)，所有的問題才能迎刃而解，這也是美國早在20世紀(jì)60年代在橡樹嶺開發(fā)熔鹽反應(yīng)堆的主要原因。作為核燃料，“熔鹽”通常是指四氟化鈾。在操作溫度下的液體狀態(tài)會(huì)與氟鋰鈹混合，成為氟化鋰和氟化鈹?shù)幕旌衔锼姆?。它起到冷卻劑的作用?！熬拖褚豢阱?--體積巨大，沒發(fā)出聲音的大鍋”，福斯貝里說。“你將燃料扔進(jìn)去，混合到一起，但所有成分卻根本不會(huì)發(fā)生變化。”
索倫森說，液體燃料還有一大優(yōu)勢， “燃料沒有徹底消耗完就不必從反應(yīng)器中移除?！毕喾?，這種燃料會(huì)通過一個(gè)外部回收裝置循環(huán)利用，持續(xù)提取核裂變產(chǎn)物，保證燃料安然無恙。索倫森稱，設(shè)計(jì)師還想出一種很妙的方法保證其安全性，在該反應(yīng)器底部留有一孔洞，可插入一塊固體燃料，通過制冷單元來保持它的固體狀態(tài)。如果反應(yīng)器在緊急情況下斷電，制冷程序會(huì)馬上停止。插入部分將會(huì)熔化，燃料會(huì)安全地流入地下儲(chǔ)存罐。最后，熔鹽設(shè)計(jì)可以適用于多種燃料，從傳統(tǒng)的鈾到原始核廢料或釷都能應(yīng)用。釷的儲(chǔ)量大概比鈾多三倍。
對(duì)于這一切而言，沉寂四十年后復(fù)蘇熔鹽反應(yīng)堆是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。索倫森說：“我們必須重建一個(gè)基本上已完全消失的知識(shí)庫?！彼麆?chuàng)立了Flibe能源公司。目前，該公司正在開發(fā)一個(gè)40兆瓦的反應(yīng)器，或許會(huì)用在軍事基地，讓這些基地能獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行。
2011年9月，福斯貝、彼得森、麻省理工學(xué)院的胡林文和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的核工程師托德?阿倫參與了一個(gè)為期三年的美國能源部資助核研究項(xiàng)目，做項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。這個(gè)項(xiàng)目在通往熔鹽反應(yīng)堆的道路上又向前邁進(jìn)了一步：氟化鈹（FliBe）冷卻式高溫反應(yīng)堆。彼得森說：“沒人建過鹽冷卻式固體燃料反應(yīng)堆?！碧热暨@個(gè)項(xiàng)目開始運(yùn)作，反應(yīng)堆的堆芯會(huì)比其他設(shè)計(jì)小4至5倍。由于鹽的良好穩(wěn)定性，這個(gè)反應(yīng)堆的溫度總是比破壞極限的溫度低幾百度。
彼得森說，盡管“估計(jì)會(huì)消耗大量的資源”，未來十年內(nèi)公司還是會(huì)一座建用于測試的反應(yīng)堆。這是個(gè)大膽的設(shè)想。由于金融危機(jī)，所有先進(jìn)的核反應(yīng)堆此后的融資都困難得多。此外，科拉迪尼指出，美國突然發(fā)現(xiàn)豐富的頁巖氣，他認(rèn)為，“在美國，化石燃料廉價(jià)已經(jīng)使一些清潔能源工程建設(shè)不斷推遲，不僅限于核能項(xiàng)目”。
華盛頓核能研究所政策發(fā)展貿(mào)易組織總監(jiān)保羅?吉尼亞也很有遠(yuǎn)見。他說，“開頭我們先做了輕水反應(yīng)堆”，接下來，二十一世紀(jì)二十年代會(huì)出現(xiàn)更安全的先進(jìn)輕水反應(yīng)堆，緊接著就是進(jìn)一步減少碳排放的高溫反應(yīng)堆，“然后我們就建個(gè)快堆來消耗掉這些核廢料?！?
吉尼亞認(rèn)為，熔鹽反應(yīng)堆還有很多未知因素，但值得開發(fā)。有些甚至變數(shù)更大的項(xiàng)目正在研究。其中值得一提的是加速驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆，它通過使高能粒子加速器的中子推動(dòng)裂變反應(yīng)，可用釷元素做燃料，且關(guān)掉加速器便可立即關(guān)閉反應(yīng)堆。
但是，核能真的會(huì)進(jìn)一步發(fā)展嗎？事實(shí)上，業(yè)內(nèi)人士看到了樂觀的理由。特別是他們認(rèn)為，如果氣候變化造成越來越明顯的后果，就會(huì)迫使政府設(shè)定碳價(jià)格。吉尼亞說，即使是福島那場核災(zāi)難，也可能刺激新的核能技術(shù)發(fā)展，“但也確實(shí)給人們帶來了恐慌，而且對(duì)核能的安全性更加擔(dān)憂”。吉尼亞還說，可是，因?yàn)槿藗兛吹酶宄八麄兙蜁?huì)說，喂，這些都是建了30年的老工廠”，那時(shí)候，智能化的新型核工廠看來吸引力會(huì)大得多。
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