美国军用移动式微型核反应堆分析

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2020-05-14 08:22来源:蓝海星智库作者:

美国国防部将微型移动式核反应堆作为军用能源技术的革命性创新,认为其将成为解决后勤“长尾问题”的有效技术手段,使美军能在全球任何地方开展大规模持续作战行动。

 

一、设计合同

 

2020年3月,美国国防部授予BWX技术公司、西屋公司及X-energy公司三个团队合同,开展移动式微型核反应堆原型的设计工作。合同来自美国国防部战略能力办公室(SCO)的“贝利”项目(Project Pele)。

“贝利”项目旨在开发一种安全、移动式的先进微型反应堆,以支持为偏远基地供电等多种任务。该移动式微型反应堆可通过公路、铁路、海上及空中运输等手段实现安全、快速部署,且能迅速启动和关闭。

 

1  移动式微型核反应堆示意图

 

该项目于2019年1月开始启动,分两个阶段实施:

 

第一阶段主要是设计,BWX技术公司、西屋公司和X-energy公司三个团队分别获得1350万美元、1190万美元和1430万美元,开展为期2年的工程设计,以评估微型反应堆的安全性和可靠性,并降低技术和制造风险。

 

第二阶段是建造,美国国防部将对微型反应堆的设计是否能达到安全性能要求开展评估,并从三家公司中选出获胜的一家,开展反应堆原型的建造和演示,该反应堆原型功率在1~5兆瓦的范围。

 

二、研发背景

 

尽管战场上的武器系统和信息技术已取得巨大的进步,但当前军队仍几乎和二战时期一样,在很大程度上依赖需要通过管道、卡车和舰船运输的液体化石燃料。美国国防部每年要消耗近30TWh的电量,单日的燃油消耗量超过1000万加仑,能源消耗量还在持续增加。

 

在近期对外战争中,美国对燃料的依赖成为一个致命弱点:在伊拉克和阿富汗战争的高峰期,导致美军士兵死亡的最大因素来自于为燃油和饮水运输护航。随着更多高耗能的先进武器投入使用,未来战争对能源的依赖将进一步增强,需要更高能量密度的技术手段。另一方面,雷达站、导弹防御等重要军事基地需要稳定、安全和持续的电源供应,而随着网络安全形势日益严峻,电网遭受敌方网络攻击导致电网中断的风险不断增加。这些重要基地需要更加独立的分布式电源供电。

 

与此同时,随着近年来俄罗斯和中国在“浮动核电站”等装备上的快速进步,美国担忧其核技术领先地位会被俄罗斯和中国取代。美国需要重新掌握技术制高点,为军队提供最具创新的先进核技术。

 

因此,美国国防部将微型移动式核反应堆作为军用能源技术的革命性创新。美国国防部认为,一个安全的微型移动核反应堆将提供几乎无限且安全可靠的能源供应,成为解决后勤“长尾问题”的有效技术手段,使美军能在全球任何地方开展大规模的持续的作战行动。

 

2  美国核电站

 

三、技术方案

 

大部分在运行的商业核电站发电功率都在1000兆瓦级。在不久的将来,发电功率在50~300兆瓦的小型模块化反应堆(SMR)将获得许可进入商业运行。微型反应堆根据其具体的尺寸,功率可在低于1兆瓦到大约20兆瓦,拥有多种用途。绝大部分微型反应堆采用的核燃料富集度比普通商业核电站(2%~5%)更高,在5%~20%之间,但仍属于低富集度核燃料(高于20%为高富集度燃料,武器级核燃料富集度达90%以上)。

 

美国国防部希望其微型核反应堆采用三结构同向性型包覆颗粒(TRISO) 燃料元件,该燃料元件设计将核燃料固结在由石墨和陶瓷包覆的颗粒内部,能承受更高的极端温度,有效防止堆芯熔化,提高固有安全性;遭受攻击或战损时,燃料颗粒还能最大程度地减少放射性物资的泄露,减少危害。根据美国国防部战略能力办公室在2019年发布的方案征求书,国防部的微型反应堆还有一个更显著的特点,就是在失去电源时能采用被动冷却,因此其无需备用柴油发电机,也无需靠近水源。

 

参与美国国防部移动式微型反应堆设计竞争的西屋公司、X-energy公司及BWX技术公司在核能技术方面有丰富的积累和经验,微型核反应堆的设计也已有一定的基础。其中,西屋公司将利用合同提供的资金,完成其军用版eVinci移动核电站原型的设计。eVinci微型反应堆是西屋公司发展的面向分布式发电市场的下一代小型模块化反应堆,发电功率在200千瓦到15兆瓦。其设计可运行至少10年,无需像普通商业核电站那样频繁换料。西屋公司指出eVinci反应堆的被动安全特性,使其可在无额外控制、外部电源或运行干涉的情况下,安全地运行和关闭。军用版eVinci反应堆可利用标准军事运输平台提高可运输性。X-energy公司将推进其X-battery微型核反应堆的设计,该微型反应堆是一型可由公路运输的高温气冷球床反应堆,热功率在10兆瓦级,采用石墨球形燃料元件。该反应堆可自动运行,无需现场操作员,预期单次换料可运行10年。BWX技术公司的微型反应堆研究也已开展多年。

 

四、应用前景

 

2001年到2010年间,在伊拉克和阿富汗美国士兵一半以上的伤亡(超过18000人)是执行燃料和水的运输护送任务时造成的。当前的能源依赖不可避免地带来了后勤补给的“长尾问题”。同时,美国陆军能源使用模式正在从化石燃料转向电能,定向能武器、电磁轨道炮、电动车辆、无人机及士兵通讯网络等全都依赖电力,将进一步增加美陆军的能源需求量。

 

3 美军利用卡车运输微型核反应堆构想图

 

因此,移动式微型核反应堆将主要用于陆军。美国陆军设想微型反应堆发电站为集装箱大小,可由卡车或货机运送,前期将主要用于军事基地而不是战区。此外,微型反应堆在救灾和人道主义救援时也能有效发挥作用。尽管微型核反应堆能带来重要的战略和战术优势,但其安全性始终是关键问题,未来能否真正带来军用能源的革命仍有待进一步验证。

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