【科技情报】将小型反应堆揣进口袋可能吗？

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来源：IPRdaily中文网（IPRdaily.cn）

作者：黄伟 审协北京中心光电部 IP创新赢

原标题：将小型反应堆揣进口袋可能吗？

很多时候小编都惊诧于科幻电影里的超级英雄们在瞬时爆发出的巨大能量？能否有一天，我们也把反应堆揣在自己的口袋里？

看过《钢铁侠》系列电影的朋友一定都知道，为整个钢铁侠供给能量的就是位于钢铁侠战甲胸口处的这个小能量块。

就是这个能量块，能为钢铁侠瞬时提供大量的能量。能让钢铁侠在空中翱翔，并用激光炮消灭敌人。

有人说：这就是未来的一个高度集成化的核聚变反应堆。有了它，大家甚至可以像《X-Man》中的电光眼一样，发射一道，哦不，是两道高能激光！

然而，科幻电影中的超级装备能走进现实吗？

目前，利用核能的小型设备常见的为放射性同位素电池，且多见于太空探索设备中。

例如：美国的阿波罗飞船

美国“好奇号”火星车

当然，也包括我国的“嫦娥三号”月球车

这些同位素电池长啥样？是什么原理？输出功率是多少？寿命有多久？这些问题小编统统不知道，因为这些都是涉密的啊！但可以肯定的是：其输出功率远远小于反应堆！

将探月设备中发电科技转化为民用可能为时尚远。

把核反应堆装到口袋里目前也是天方夜谭。

因为：纯铀235金属球的临界半径要8.1cm，所以裂变堆放入口袋从尺寸上讲已经不可能。从尺寸上讲，也许核聚变可以，但目前却没有那么薄的耐高温材料，也没有控制核聚变温度的技术。

但是，如何将核电站建设的更小、更便捷、更安全、更经济却是目前各电力巨头关注的问题。今天我们也来探讨一下这个问题！

放在口袋里的反应堆目前是不可能的，但是放在家中的一间屋子里却很快能成为现实！

环顾现在正在使用的核电站都是傍水而建。看看下面的照片，如果没有核电厂，一定能成为旅游胜地吧！

王安石在《游褒禅山记》中不是说过“世之奇伟、瑰怪、非常之观，常在于险远，而人之所罕至焉”。以前的核电站都建在的远离人口聚集区，美景都在危险处说的多有道理啊！

同时，“蔚为壮观”的核电站建设周期也很长！世界核能协会统计过，近60年来，全球600台核电机组的建设周期平均为82.5个月。我的妈呀，接近7年！别忘了，这还只是建设周期，如果算上之前的选址、论证、审批等环节……，可以说每个核电站都是百年大计。

传统大型核电站建设周期长，输电距离远的缺点，催生了把核电站和反应堆小型化的诉求！这也就是很多科技公司正在致力于解决的事情。

俄罗斯人的解决方案是浮动式核电站（Floating NPP），就是把反应堆建在船上，哪里需要去哪里！俄罗斯第一艘漂浮式反应堆“罗蒙诺索夫”号（下图为效果图）已经开始建造，据传近期将要投入运营。

这样的反应堆可以用来为海水淡化、北冰洋破冰提供能源！中国其实也有相应的计划，并已经立项在建。但是，这种反应堆设计容量只有约35兆瓦！

35兆瓦的功率这什么概念？

举个例子，根据报道：2013年7月28日，天气酷热的北京城当天的用电量超过3亿度电。大约需要360艘“罗蒙诺索夫”号才能勉强维持高峰期首都一天的用电需求。如果那样的话，北京的昆明湖、未名湖、龙潭湖、青龙湖，昆玉河，通州大运河……都要布满这种船吧？

如此看来，反应堆小型化的同时还要保证一定功率输出才好。于是，模块化反应堆概念开始浮出水面，其中的代表是NuScale Power公司。

2017年3月15日，该公司正式向美国核管会（NRC，在美国建核电站须该机构批准才行）提交先进小型模块化堆（SMR）设计方案认证申请，预计40个月能获得许可证。

那NuScale Power公司的设计理念是什么呢？看图吧！

这种模块化组件可以方便的通过水路或陆路运输！

怎么样，被吓到了吧，妹纸！！！

NuScale Power公司就是把核电站里的主设备集成在一起，最后用卡车头和拖拽船背着跑，哪里需要去哪安装，建设周期超短！

单个反应堆模块的功率虽只有45兆瓦，但多个模块可以快速叠拼。例如，12个模块组装后就大约能够满足三亚的供电量一起运行（据报道：三亚2015年日最高负荷56.6万千瓦）。

来看看五个模块组成的机组在厂房里的布置的效果图——右边那五个淹没在冷却水中的就是模块哦。

再来欣赏一下NuScale模块的内部结构图，上升器形成热管段区域（红色箭头部分），冷却剂流经蒸汽发生器后热量被带走，最终形成冷却介质自然往复循环，这里的冷却回路不借助主泵循环，系统可靠性提升；将原来散落在安全壳里的主设备集成在一起，方便安装使用。

除了NuScale Power公司，还有谁在做这方面研究呢？ 国际原子能机构（IAEA）的统计数据表明全球仅有三座先进小型模块化反应堆在建（见下表），包括俄罗斯浮动型反应堆、清华大学的高温气冷堆和最早建设的CAREM堆（阿根廷）。除此之外，比较有名的（状态见下图）的还包括：美国的mPower堆、W-SMR和IRIS堆,以及我国的中核ACP100、广核CAP150/200和ACPR50S几种堆型。

尽管距离小型反应堆的盈利甚至商用还有一定距离，但是专利布局早已经开始了。以美国的三家公司为例：

而且，如果考虑到技术传承。三家公司都是站在巨人的肩膀上，或者说有的甚至初始技术都是别的研究机构转让的。

    巴威公司的mPower堆主要参考了Otto Hahn商船反应堆设计；
    纽斯高公司的NuScale堆是在俄勒冈州立大学的MASLWR设计基础上改进完成的；
    西屋公司主导的W-SMR和IRIS堆也是传承了其AP1000（先进压水堆，该公司自身的上一代产品）的技术特点。

三家公司的SMR设计各有特色，让我们通过下图来简单比较一下三种SMR堆型的模块设计吧！

（图中1-堆芯；2-控制棒驱动机构；3-蒸汽发生器；4-主泵；5-稳压空间）

与另外两家相比，NuScale堆型省略了主泵。这样的设计可谓是“疯狂”，因为主泵的作用在于驱动冷却剂循环，为堆芯降温！没有主泵的堆型之前在业内是不可想象的，也难怪该堆型一经推出后，就博得了业界同行的刮目相看以及重点关注。

与上述种堆型均不同，我国的堆型也有独到之处。以ACP-100为例，中核集团下属的中国核动力研究设计院，早在2012年6月11日就在国内申请了模块式压水堆的发明专利（中国发明专利申请号CN201210189540.X）。

通过专利我们可以看到：模块结构很别致，稳压器4设置在模块外部，采用磁力型控制棒驱动机构6和垂直安装主泵5（见下图）。

中核ACP-100堆型相对于美国三家公司的堆型，是将其“5-稳压空间”和主体模块分离开了，而且我们的主泵是外置垂直安装的，美国的要么是内置的、要么是横置安装的。看似改动简单，但整体指标都得重新设计。因为反应堆是个系统工程，任何改动都是致命的；这种牵一发而动全身的领域，稍作改动意味着重新设计，重新进行全盘验证。在这里，小编要为中国核工业的科研人员们点赞！

目前，世界各国的多个团队都在紧锣密鼓的对小型堆进行研发。为了和最先提出的SMR设计概念形成差异，各个设计团队都使出了浑身解数，在反应堆的各个局部进行着痛苦地改进。对这些改进的专利布局也正悄然进行着，也许这正是未来全球核电专利战争的序曲。

反应堆离大家的生活看似很远，其实很近。说它远是因为大家可能看不见摸不着，说它近是因为老百姓每天都在用电，如果咱们没有自主知识产权，也许你交的每度电费里有一毛就是交给别人的专利许可费。加油中国核电！

来源：IPRdaily中文网（IPRdaily.cn）

作者：黄伟  审协北京中心光电部

编辑：IPRdaily.cn 赵珍

校对：IPRdaily.cn 纵横君

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