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小型核反应堆应用趣谈

发布时间:2019-5-27 21:59 原作者:刘 达 王 茜   来自: 经济日报

对外展出的国产核动力航母模型。
(资料图片)

核能作为人类历史上的一项伟大发现,应用领域非常广泛,其中最常见的形式就是核能发电——核电提供了全球约10%的电力供应。核能能量密度高,1千克铀235全部裂变释放出的能量相当于2700吨标准煤燃烧释放的能量,并且高效清洁。但我们所熟知的核电站占地面积大,有的相当于上百个足球场大小。其实,还有很多不同类型的核能应用与人们生活相关,“体型”更小的反应堆就是一类。下面就带您从陆、海、空、天不同维度来认识一些有趣的小型核反应堆。

有一类小型核反应堆被称为小型模块化反应堆。所谓模块化,指的是部件模块化建造。模块化出厂的部件可以使反应堆的建设如同搭积木,能大大缩短核设施的建造周期以及检修过程。更小的体积、更快的建设周期以及更简易的运行,使这种反应堆的灵活性得到极大提高。按照需要,这种小型反应堆可快速部署在偏远地区、海岛等地,提供电力、取暖、海水淡化、制氢等用途。

当反应堆的体积缩小至一定程度,还可用大型车载或船载,以实现移动化。其中最典型的是核动力航母与核动力潜艇上的核动力堆,核能提供的持久强劲动力可使其航行持续能力成数量级增加。1954年,世界上第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号建成,将凡尔纳的幻想变为现实,开启了核动力舰船发展的新纪元。如今,舰船小型反应堆的发展步入多功能民用时代,如俄罗斯KLT-40s型船舶用小型堆,不仅可为船舶提供动力、电力供应,还可进行海水淡化,甚至破冰等。其中,仅破冰这一项便极具商业前景。如果北极航路能够打通,船运航程将大为缩短,对我国发展具有重要战略意义。

在空、天领域的应用中,小型核反应堆同样大显身手。

上世纪的美国、苏联军备竞赛,将小型核反应堆的应用拓展到了核动力飞机。当时,美国改装了当时世界上最大的B36战略轰炸机,而苏联改装了图95M大型轰炸机,两者都装载了核动力装置,并进行了相应实验。但因实战性价比不足以及技术问题,该类研究没有深入进行。

而在航天领域,人类正在对小型化的核反应堆开展更多范围、更深层面的应用研究。首先是太空核电源。航天器上的电源多采用太阳能或化学能,无法完全满足深空探索的需要,只有核能可以胜任此任务。最常见的太空核电源为同位素(如钚-238)热/电源,以及核反应堆电源。同位素热/电源形式多样,都是通过衰变放热转换或产生电能。而空间反应堆电源较早的类型有美国的SNAP-10A和苏联的BUK和TOPAZ。其中,较成功的BUK反应堆电源采用铀钼快堆,电功率约为3千瓦,使用液态金属冷却。1970年至1988年间,苏联共发射了32个携带BUK的海洋监视卫星。2012年,美国洛斯阿拉莫斯实验室提出了Kilopower项目,用以开发新一代更加小型的空间反应堆。Kilopower采用铀-235堆芯,利用高效斯特林发动机转换输出千瓦级别电力,体积仅有纸篓大小,但几台Kilopower即可为一座空间站提供所需电力供给。

我们的目标是星辰大海,探索浩瀚宇宙,进入无垠深空,这其中少不了核动力推进器的一席之地。早期核动力推进以核热推进为主,利用核裂变释放能量加热工质,加热的工质高速喷出喷管产生推动力,如美国早期的NERVA,以及苏联的RD-0410发动机。但由于化学火箭可满足当时需求,热核推进技术一度得到搁置。

进入21世纪,为推进载人登陆火星任务,美国、欧盟及俄罗斯开展了大功率电推进技术研究,推出了核动力搭配电推进系统。它的工作原理是,利用核反应堆及热电转换系统产生电能,使工质电离化,产生带电粒子,在电场或电磁场作用下高速喷出喷管,产生反推力。与当前化学推进器相比,它的比冲提高了1个数量级以上。可见,核动力推进将帮助人类真正揭开星际远征时代。

此外,还有为人类健康保驾护航的医用同位素生产堆、各类研究堆以及探索阶段的聚变堆等。随着时代发展以及科技工作者们的不懈努力,相信核能将在陆、海、空、天有更为广阔的应用,更好地为人类服务。

(作者系中国核科技信息与经济研究院工程师)

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