【前沿•SMR】用于军事和外太空的微小型模块化反应堆

2017/9/11 9:27:02

【导言】美国国防科学委员会最近发布了一份长达99页的报告，提出美国军方将为发展可用于远程操作基地的小型核反应堆提供资金。
 
 
委员会对几个与现有的传统商用核反应堆在尺寸和技术方面不同、正在发展、将用于商业化部署的小型模块反应堆中的几个反应堆概念进行了审查，这些反应堆中有一些非常小的模块化反应堆（vSMRs），这些反应堆的输出功率小于10MWe，FOB、ROB以及远征部队都可以运输和进行部署，从而消除了对发电用燃料进行运输的物流需求。
在伊拉克和阿富汗，向基地和远征部队运输货物中的70%到90%是燃料和少部分的水。
据报道，航空运输每加仑燃油费用为400美元，虽然在战斗期间使用卡车运输燃料的费用为每加仑10至50美元。委员会发现有两个反应堆概念较其他的技术更为成熟，一个是LANL的MegaPower反应堆系统，另一个是菲利波内和联合有限公司的Holos气冷式硬化微星模块化反应堆。
委员会审查的一个vSMR概念是洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）开发的名为MegaPower的反应堆（移动热管冷却快堆系统，专利号为：US 20160027536 A1）。
可移动热管冷却快堆可以被运输，部署到偏远地区，发电功率为0.5到2兆瓦。移动式热管快堆中包括一些数量的热管，这些热管靠近反应堆内部的燃料棒，这些热管可以延伸出反应堆，反应堆可以放置在标准运输容器中进行运输，甚至还可以在桶中配置好，附在滑板上以便于运输。
该反应堆概念中，核燃料是U-235浓缩度为19.5%的氧化物，从防核扩散的角度来看，这种低浓度的铀是“非武器级别的”。大量的核燃料被封装在固体钢结构中从而形成次临界反应堆堆芯，该堆芯由可以反射衰变中子的材料所包围，以受控的方式引发链式核反应（临界反应） ，裂变反应生成的热能可通过热管从铀金属芯导出，热管可以通过露天的布雷顿或者超临界二氧化碳斯特林发电机发电，该反应堆可以提供2 MWe的电力和另外的2 MWe的过程热，可连续运行12年之久，重约35吨，可空运或者公路运输。美国航空航天局和实验室指导性研究和发展开发计划为MegaPower的研发提供资金，该系统可以直接连接到发电机上并且可在运输到达72小时之后开始运行工作。
反应堆可以在少于7天的时间内完成关闭、冷却、断开连接并转运出。反应堆堆芯以及其他的关键设备都被安装在特殊的装甲容器中，以保护反应堆免受外部攻击的影响，并在运行和运输过程中保护人员和环境免受辐射影响。该项技术是成熟的，但是需要额外的资金来建设示范堆，每个组件的技术成熟度为第六等级，甚至还会更好一些，后期的主要工作是将这些组件集成到系统原型中去。一个预测认为，这样的一台机组将在未来五年内用于概念堆演示。
从kiloPower发展项目（NASA）习得的经验教训可用于Mega瓦级别反应堆即MegaPower反应堆的开发过程。这些概念堆具有与kiloPower相似的固有安全性，包括反应堆自我调节、反应堆堆芯的低功率密度和使用热管将堆芯热排出在内。这些更高功率的反应堆主要将在偏远山区使用，例如为偏远山区提供电力或者为未来可以移民的太空星球提供电力。MegaPower反应堆概念发电功率为2兆瓦，反应堆可以直接连接到布雷顿循环电力转换系统上，布雷顿动力循环系统使用空气为工作流体，使用其作为最终除热的手段。
MegaPower的设计和开发过程将依赖于先进的制造技术来制造反应堆堆芯、反应堆燃料和其他的结构部件，研究还设计了表征高温控制棒从而提高了燃料利用效率并降低燃料铀浓缩程度的方法。