美国老牌杂志《电力》（POWER）11月刊载了资深撰稿人肯尼迪 梅兹（Kennedy Maize）的文章[1]，就世界第三代轻水堆（LWR）建设的困境，探讨用新技术“取而代之”的前景。结果和麻省理工学院（MIT）综合研究报告“核能的未来”（2003）以及现任美国能源部长、原MIT物理学教授欧内斯特•莫尼斯十多年前的意见一样：“未来几十年内，轻水堆(LWR)将是唯一的选择”。文章列举的例证多半的是主流核学界认可的项目，尽管存在不同认识，但结论是坚实的，“通常先进核技术都一样，商业机组的经济性完全是个未知数”。

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“第Ⅲ代”核反应堆没有展示很多克服第Ⅱ代LWR技术的弱点的能力，也没有提供最佳渐进性的方法。更革命的方法还有机会吗？许多方面还在探索新技术，但近期还看不清哪个会是“成功者”。。

去年八月，纽约时报的博客安迪 詹姆斯（Andy Revkin）对麻省理工学院（MIT）学生和研究人员团队的新聚变堆设计变得热情起来。詹姆斯（多半基于MIT新闻稿）报道了这个团队提出的计划，想建个“示范规模的聚变电厂，实际上能生产价格实惠、强壮、紧凑的聚变能机”。

MIT宣称，新设计取自长期-令人失望的“托克马克”炸面圈型聚变堆，并用新材料缩小规模。这就可利用更高的磁通量约束氢原子融合需要的超热等离子体，使产生的热能远超任何传统聚变堆，而“占据的空间”小得多。这个“炒作”暗示的时间范围是“十年”。

尽管有人轻信MIT梦想机的新闻报道，也有重要的怀疑者。许多人指出，尽管经过多年的研究和几十亿美元的政府投资，聚变仍是个“视野渐退”的技术。上个世纪70年代曾为美国原子能委员会（AEC，美国核管会的前身）和能源研究开发署经管聚变规划的罗伯特 赫希（Robert Hirsch）告诉《电力》杂志，“1970年代初以来一直是较高磁场的托克马克；高磁场包含高储能，[超导]磁体淬灭时可能释放出来，监管部门对此非常敏感”。磁体淬灭—磁场突然终止—可能导致机器内部产生毁灭性的力和相当大的损害。

MIT称之为ARC的聚变堆设计（见图1），查特有注释很吸引人：小型、模块、高效。但它首先是个“新”堆（实际上是“老旧”、以前废弃的），是许多工程师和创业者面对众所周知、传统、大型LWR“困境”推出的解决方案。

图1. 袖珍式发电所。

麻省理工学院（MIT）的这种聚变堆设计规模较小但功率很高。

“第X代”核能

称之为“下一代”反应堆，因为废弃了传统的数字命名，“第Ⅰ代”（小型、早期的核电机组如纽约州印地安角1号机组，现已长期关闭）“第Ⅱ代”（大多数1970年代订货、现在运行的大型机组）和“第Ⅲ代”（现今的设计，如西屋公司AP1000和阿海珐公司EPR，在建但还未投入运行）。“第Ⅳ代”是核工业给进展超越第Ⅲ代设计贴的标签，暗指有较多相同之处，而“下一代”意味着方式方法根本不同、有更大希望和大量风险（见专栏“难以置信的飞行聚变机”）。

早期、传统的反应堆设计在逐渐关闭。“第Ⅰ代”已荡然无存。许多“第Ⅱ代”即将退役。但“第Ⅲ代”没有满足电厂规定的目标：更便宜、更容易建造、设施更加标准化，模块化建造优势超越前一代。

投资组合经理亨利 休伊特（Henry Hewitt）最近在《绿色科技媒体》上说，第Ⅲ代反应堆“一直令人失望”。最近没有一台机组投入运行，而且许多在建机组拖期和预算超支—其中某些如EPR，超支严重，数额巨大。最近的《世界核工业状态报告》（对核工业持怀疑态度的出版物）认为这种拖期，包括美国在建的四台西屋设计的机组，属于“设计问题、缺乏熟练工人、质量控制问题、供应链问题、电力公司和/或设备供应商的规划不周，以及资金短缺。”

某些人把核电作为长期限制二氧化碳排放计划的组成部分，十多年来一直研究、“兜售”新一代核概念避开了LWR的限制[2]。这种新技术包括依靠热中子、快中子增殖堆设计，不同的冷却方法，更高效的高温机，以及能销毁传统LWR卸出、需要极长时间监视的乏核燃料的机器。

专栏：难以置信的飞行聚变机

去年夏天，波音公司一工程师团队获得了美国专利—激光聚变动力航空发动机。这个概念设计（专利号US 9,068,562 B1）就是大功率激光器瞄准氘和氚靶，一个简化的概念，类似大得多、还在研究的激光聚变，如能源部加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置。

在波音的专利中，激光引发氢同位素融合为氦，产生一次热核爆炸（见图2）。正如《商业内幕》网描述的，氦和氢的副产品以巨大的压力在发动机的后部喷出，产生推力。“推力腔”内部镀有天然铀（多为U-238）与热核反应的中子起反应，产生极大量的热能。

图2. 飞行的反应堆？

波音的工程师为了他们的聚变动力喷气发动机概念获得一项专利。

冷却剂沿着燃烧室外部流动，捕获热能并通过涡轮发动机发电给发动机的激光器提供动力。据专利申请者称，该发动机能给火箭、导弹和航天器提供动力。

聚变专家罗伯特赫希（Robert Hirsch）对这个设计“不屑一顾”。他告诉《电力》杂志，劳伦斯利弗莫尔“似乎未能点燃芯块，而据我所知，激光点燃不成功，暗示工作需要的能源甚至还没有计算出来。只因闻所未闻，所以申请专利。”

商业内幕网指出，“到目前为止，这种发动机仅仅活在专利文件中。”

地球之盐

近期最流行的“下一代”排行榜首推熔盐堆。核科学家莱斯利 德万（Leslie Dewan）和马克 马西（Mark Massie）正在设计他们称谓的“废物-焚毁熔盐堆”（见图3）。从源自1950年代和1960年代橡树岭国家实验室的设计开始，德万和马西正在开发液态燃料反应堆规划，克服1966-1969年（那时实验经费已经用光）运行的橡树岭7.5MW实验装置的某些问题。他们的设计也致力解决LWR机组现在的重要问题。

MIT的德万和马西创建的公司，名为“转变原子”（Transatomic）能源公司，以商用化他们的概念。至今他们已筹集到6百万美元风险投资。与核能奠基人阿尔文 温伯格（Alvin Weinberg ，1915–2006）支持的橡树岭老堆不同，他们的设计不用快中子增殖钚。就是个热能装置，燃料悬浮在冷却剂内，是温伯格的橡树岭机器的关键特征。据他们的网站（transatomicpower.com）介绍，燃料和橡树岭原型堆33％浓缩铀不同，既可用“天然”（非浓缩）铀，也可用乏核燃料。据开发者宣称，他们“做”的不同于橡树岭时期的“主要技术变更”就“是把原先熔盐堆用的慢化剂和燃料变为锆氢化物慢化剂和LiF[锂氟化物]-基燃料盐。”

据MIT的开发者说，这个机器能用乏燃料运转，能“提取”燃料内高达96％的能量，而且可提供特殊的安全。它避免了快中子强烈辐射的损伤。如果这个装置失去所有的电源，即著名的“全厂断电”（如福岛曾出现的），燃料排入一个箱罐，并冻结为固体。可以说没有“熔堆”。

但也有“艰巨”的挑战需要克服，特别是处理高腐蚀性的熔盐。它是燃料载体，既充当堆的慢化剂又作为堆冷却剂。在美国颁发许可证会成为问题，因为设计新颖。这种反应堆可能需要现场化学装置处理冷却剂和燃料混合物。这种技术的经济性能也不很清楚。

图３. 熔盐的前景。

实验堆用熔盐作冷却剂和燃料载体大约从1960年代开始，但新设计希望克服过去的问题。

行波堆

2006年，微软公司创始人亿万富翁比尔 盖茨（Bill Gate）和原微软公司首席战略家内森 梅尔沃德（Nathan Myhrvold）断言，提高全球的生活标准、包括给所有的人提供用电的方便，需要私营部门逐步采取行动。他们在华盛顿州贝尔维尤（Bellevue）创立了高智公司（Intellectual Ventures），为减少全球贫困出“点子”。两年后，剥离出一新公司，泰拉能源（TerraPower）。相对老的、大体上失败的核技术，专注新途径：增殖快堆发电，但生产的钚比消耗的天然铀和快（不慢化）中子更多。

据阿尔文温伯格基金会说，泰拉能源增殖堆的利好因素在1950年代首次提出，被称为“行波堆”（TWR）。它就是个钠冷快堆，旨在从内部销毁传统反应堆乏燃料增殖的钚，毋须对钚进行后处理。这有很大技术、经济和环保优势。核后处理充满各种问题，包括民用反应堆燃料中的钚转移做核武器。

《MIT技术审评》的一篇文章报道说，“当这个堆运行时，行波堆内的堆芯逐渐把不易裂变的材料转化为需要的燃料”。ZDNet网站的另一简介把它比拟为“蜡烛”，从一段燃烧到另一端。

这个技术曾被“炒”得天花乱坠。《纽约时报》记者马修 瓦尔德（Matthew Wald，写技术评论文章，现在为核能研究所工作）说，泰拉能源的理念回答的追求是，“一种新的反应堆就靠今天的核废物做燃料，供全美今后用电800年，而且能削减全世界核武器扩散的风险”。

这个概念很迷人。但泰拉能源不久面对工程难题，废弃了“行波”概念。堆的液态钠冷系统跟踪行波是非常棘手的任务。后来，泰拉能源修改设计，铀-钚转化并不移动。泰拉能源首席执行官约翰 吉尔兰德（John Gilleland）告诉温伯格基金会博客马克哈尔普（Mark Halper）说，“这只是与充分利用每个中子相关的实际考虑，工程师偏爱保持冷却系统位置不动，而不是追踪行波。”泰拉公司继续称其机器为行波堆，虽然现在更像“驻波”。该公司说它希望2020年代中期启动600MWe的TWR原型。

泰拉能源抛弃原来的技术，意识到液态钠冷却剂的问题。虽然钠有卓越的热传输性能，也有泄漏并与空气和水接触的倾向。碰巧时钠可能在激烈反应中自燃。这是个实际问题，因为钠火灾很难扑灭。它造成腐蚀性烟雾，释放出爆炸性氢气，而且不能用水或CO₂淬灭。迄今为止，世界运行的钠增殖堆都发生过严重的钠冷却剂问题。泰拉能源公司拓宽了它对下一代核能的兴趣，包括熔盐堆[3]。

9月22日，该公司宣布与中核集团公司（CNNC）签署谅解备忘录。发给《电力》杂志的新闻稿说，“两个公司计划共同工作完成行波堆（TWR）设计并商用化TWR技术。泰拉能源与CNNC间的合作必然加快两个国家的技术开发，促进清洁能源增长，并使全球经济增长。”（见图4）

图4，行波堆设计环游世界。

今年夏天，华盛顿州贝尔维尤基地的泰拉纽约公司宣布它与中核集团公司签署备忘录，以便完成设计和私有化这种新型的核技术。

先进钠技术工业示范堆（Astrid）

尽管前几代的发展记录“忧喜参半”，增殖堆仍然是许多核能开发商的“圣杯”，因为能通过嬗变使铀成为钚，提供“无止境”的燃料供应。在各家的项目中，最先进的显然是阿斯特丽德（Astrid，先进钠技术工业示范堆），即法国政府能源研究机构CEA（法国原子能委员会）领导，阿海珐公司、法国电力公司和日本东芝公司合作的钠冷快增殖堆项目。

日本与法国国内能源资源匮乏，一直视增殖堆和钚后处理为更大能源独立的“坦途”。但两国的增殖堆规划有各种问题。法国的超凤凰堆出现严重的液态钠冷却剂工程问题后，于1998年关闭。日本的文殊堆也发生过似的问题，后关闭。问题包括严重钠冷却剂火灾、电力公司与政府部门掩盖事实真相…

去年5月，法国和日本政府宣布，它们想推进Astrid，目标是在法国阿维尼翁省罗纳河附近的CEA马尔勒场址开发一个燃烧乏核燃料的示范增殖堆。2011年，法国提供9亿美元资助Astrid项目，直到2017年。日本首相安倍晋三和法国总统奥朗德签署联合声明，“加强它们的民用核研究”，同时两国也在调整他们的核规划。日本还在从福岛灾难中恢复，它的所有核电机组都在那场灾难后关闭了，现在正慢慢复役。此时法国正力求减少对核能的依赖，电力生产从占75％降到50％。

据世界核协会报道，“设想Astrid是1500MWe商用系列钠冷快堆的600MWe的原型堆，后者或许从2050年前后开始部署，法国那时会有的50万吨乏铀，也燃烧用过的MOX燃料中的钚。Astrid的燃料燃耗会很高，包括燃料组件内的微量阿系元素，而且那时MOX燃料将与PWR的广泛类似，钚将占25-35%。要用中间钠冷却剂回路，而且第三回路冷却剂是氮气，采用布雷顿循环。”CEA说，是否建造Astrid原型堆，将于2019年做出最终决定。

通常先进核技术都一样，商业机组的经济性完全是个未知数。

甚高温气冷堆（HTGR）

LWR的一个劣势是蒸汽品质差，致使机组效率低。典型的PWR蒸汽出口温度低于400℃，这与现代超超临界燃煤机组比较非常不利，后者运行的蒸汽温度在600℃以上。

甚高温堆的出口温度有可能在1000℃左右，而且实际上已验证过，虽然美国商业上没有这种堆。1950年代，AEC和费城电力公司曾在高温气冷堆（HTGR）上联手，40MWe的石墨慢化氦气冷却设计源自通用原子公司。这台机组位于该公司的桃花谷（Peach Bottom）场址，从1967年到1974年运行良好，寿期容量因子达75％。

因此，科罗拉多公用服务公司靠AEC的财政支持，以桃花谷为基础放大，定了一台300MWe的HTGR，这就是圣弗兰堡（Fort St. Vrain）核电机组。但这台机组从1979年开业的那天起到10年后关闭，一直经营不善。

桃花谷和圣弗兰堡两台机组使用大型石墨慢化剂围绕浓缩铀的石墨棱柱型燃料砌块。从此以后，太多的时间、精力和金钱尝试复活HTGR，多半集中于通用原子（GA）公司的设计，使用台球大小的“卵石”构成堆芯，“卵石”就是许多直径9毫米、外由陶瓷涂层围绕、镶嵌在石墨（慢化剂）中的铀燃料球。就是著名的“球床反应堆。”

据著名的核工程师安德鲁 卡达克（Andrew Kadak）说，HTGR根本不同于LWR。差别包括热效率更高、惰性和氦冷却剂无腐蚀性、需水量小、使用燃气透平技术，设计也不那么复杂，因为不需要LWR那样的应急堆芯冷却系统。

2000年初，费城电力公司被艾斯能（Exelon）公司吞并前，大约花费2千万美元与南非国家电力公司（Eskom）合资开发商用11万千瓦球床HTGR，占股12％，目标是南非和美国市场。总部在芝加哥的艾斯能公司接手后，2002年停止了该项目的支出。Eskom继续工作但在2010年放弃了，列举的理由是“成本失控和技术问题”。据卡达克说，HTGR的缺点之一是运行历史记录很差，“氦气透平运行经验很少”，“不同设计的颁证障碍”。

然而核工业仍然对HTGR概念感兴趣。2013年，纽约公用事业、纽约州能源研发机构、国家电网和南非球床模块反应堆公司联盟，把这个设计提交美国能源部（DOE）第二轮小型模块堆（SMR）财政支持竞争。他们的投标不成功，输给核缩比公司（NuScale）更传统、基于LWR的SMR技术。目前NuScale公司正在与DOE谈判融资合作协议的合同条款。

核反应堆设计师产生了很多迷人的概念，目标是“取代”轻水堆技术——这个世界核能“趋之若鹜”的选择。然而，多个“新异”的设计，无论多么优雅，多半还在图纸上，也许不实际或不经济。到目前为止，还是LWR支配的现实世界。

在政府的强力支持下，中国核能的现状和发展趋势突显“后发优势”。透明度有所改进，但和西方发达国家对照，还有较大差距；透露的信息多属开发商的“自说自话”，缺乏第三方评估[[4-6]。好在客观、真实的结果，或许今后3-5年内能得出结论。

资料与注释：

1. Kennedy Maize，On the Nuclear Frontier: New Designs Aim to Replace LWRs，POWER Vol. 159 No. 11，p.60-63

2. Kennedy Maize，Nuclear Industry Pursues New Fuel Designs and Technologies，POWER，03/01/2015

3. Richard Martin，TerraPower Quietly Explores New Nuclear Reactor Strategy，MIT TR，October 21, 2015

4. 郑明光，重大专项研发与国家能力提升，SNPTC，2015年11月2日

5. 咸春宇，华龙一号安全设计与防城港二期示范工程进展，CGN，2015年11月2日

6. 清华大学藤影荷声，张作义：走在世界核能科技创新的巅峰，2015-06-26