第四代反应堆，核电的未来

1942年12月2日，在芝加哥大学的Stagg Field足球场下面，芝加哥一号堆（Chicago Pile-1）被激活，成为世界上第一个（可控）核反应堆。78年后的今天，440个反应堆的发电量占世界总发电量的10%以上，目前还有50个反应堆正在建设中。

尽管如此，核能还是遭受了非常糟糕的声誉。像生活中的许多事情一样，这是由一些复杂的因素造成的。核能对许多人来说仍然是一个神秘的东西。它与核武器联系在一起，并且仍然处于几十年的冷战宣传以及在美国、苏联和日本发生的三起极其引人注目的反应堆事故的负担之下。

在西方，反应堆的建设和发展在20世纪的最后几十年里放慢了脚步，但这个行业可能正处于复兴的边缘。尽管声誉不佳，核能有许多优势。它不仅是无碳的，而且是无排放的。它以非常小的面积产生巨大的能量。它可以在任何地区选址。而且，令人惊讶的是，它的每千瓦死亡率是所有能源中最低的。

核电的成本

然而，核能有一个大问题，那就是成本。由于工厂的成本高达150亿美元，建造一个反应堆很少有利润。相反，建设者的大部分收入来自于反应堆的加注燃料和服务。

建造核电站成本高的主要原因不是因为它们是核电站，而是因为它们是大型的、通常是一次性的土木工程项目，数量很少，而且可能需要长达20年才能上线。核电站不是在工厂大规模生产，而是在现场建造。它们还需要一个复杂的许可过程，工厂的设计要在一套独特的质量、安全和安保要求下进行测试、修改和重新测试，并且要求运营商支付所有废物处理费用。

所有这些不仅会导致成本超支，所花费的时间也意味着随着工程师的衰老和退休，有很多机会失去经验。这导致了一些奇怪的现象，比如英国，它是核能的先驱之一，不得不去国外寻求帮助来建造该国的最新反应堆。

有一些降低成本的方法，包括使用标准化设计，建造足够多的工厂以保留技能和经验，采用各种管理精简措施，以及最重要的，通过攻击最大的建筑成本。核反应堆在这些先进系统的成本中并不占主导地位，相反，是土建工程、结构和建筑；电气设备安装；以及现场这项工作的其他间接成本。

正因为如此，核工业正在寻求新的反应堆设计，其中一些已经开发了几十年，不仅要降低建设和运营成本，而且要提高安全性和效率，同时减少核武器扩散的风险。

未来的反应堆设计

今天，核工业正处于第三代或第三代+。第一代的标志是20世纪40年代末、50年代和60年代初的原型反应堆，第二代的标志是20世纪60年代中期至20世纪90年代中期的第一批商业轻水反应堆。随后是第三代，也是轻水反应堆，但包括新技术，如更可靠的燃料、被动冷却系统，以及不易发生故障的反应堆芯。第三代+，将被建造到2030年代，是最新的反应堆，是第三代设计的额外改进。

接下来将是第四代，这是一个更加先进和多样化的设计系列，旨在通过采用新的反应堆技术，以及新材料和新的制造技术，使核电站不仅成本更低，而且本质上更加安全。

基本上，这些第四代反应堆的特点是其冷却剂，可以是水、氦、液态金属或熔盐。它们还根据其在中子谱中的运行位置进行区分。也就是说，是在热中子谱还是在快中子谱中。在后者中，导致裂变的中子是由核反应产生的，没有被减缓，因此反应堆在非常高的中子能量下运行，而在前者中，反应堆使用慢化剂来减缓反应，这发生在较低的中子能量下。

New Atlas列出了一些第四代反应堆。这不是一个详尽的清单，但它确实包括了可能在21世纪中期出现的主要竞争者。

小型模块化反应堆（SMR）

小型模块化反应堆（SMR）是轻水反应堆，基本上是今天使用的反应堆的先进版本，只是它们更小，可以像汽车一样大规模生产。这些反应堆旨在通过引入工厂制造技术来降低核能的成本。从本质上讲，这个想法是为了创造小型、标准化的反应堆，每个反应堆的容量小于300MWe。

与传统反应堆不同，SMR不是大型的土木工程项目，可能需要20年才能上线，再花20年才能实现盈利。相反，正如其名称所暗示的，SMRs是基于一个更小、更简单的设计，不仅由反应堆的模块组成，而且还包括大部分的支持部件。

这使得发电厂可以在工厂或船厂作为坚固的模块建造，然后运到现场进行组装。目标是不仅降低成本，而且从根本上加快电厂建设和认证，以开始运行。

SMR的另一个优势是工厂的配置可以满足不同客户的需求。小的、相对孤立的社区可以订购单反应堆电厂，例如，可以为几千个家庭和企业提供服务，而大城市可以有多个反应堆的电厂，可以为数百万人提供电力。由于它们很小，SMR可以用于专门的应用，如石油勘探或为军事基地服务。此外，模块可以被设计成以最合适的方式运输，包括通过驳船、船舶、卡车、火车，甚至飞艇。

SMRs也因包含了被动安全系统而引人注目，这些系统只需要很少或不需要电力来运行，并在事故发生时提供冷却。它们也更容易屏蔽，而不需要大规模的混凝土结构，因为它们可以很容易地安装在地下或船舶或海上平台上，它们位于水线以下，这与潜艇上的反应堆的屏蔽方式相同。

高温气冷反应堆（HTGR)

高温气冷反应堆（TGR）是一种石墨调节的氦气冷却反应堆，其工作温度是传统反应堆的两到三倍，但功率密度较低。这一概念自20世纪40年代以来一直在发展，但只是在最近几年，该技术才开始成熟。

HTGR的基础是它在TRi-structural ISOtropic（TRISO）粒子燃料上运行。TSRIO燃料不是形成棒状，而是由罂粟籽大小的颗粒组成，由铀、碳和氧组成，密封在三层碳或陶瓷材料中，以容纳核废料。

这些颗粒被形成为圆柱形的小球或被称为“卵石”的台球大小的球体。这使得燃料非常坚固。它比传统燃料更耐中子辐照、腐蚀、氧化和高温。这意味着“卵石”不会在反应堆中融化，而反应堆可以在更高的温度下运行。此外，“卵石”可以在反应堆中缓慢循环，废“卵石”从反应堆底部移走，而新“卵石”则在顶部被引入以取代它们。

气冷快中子反应堆（GFR）

气冷快中子反应堆（GFR）也是由氦气冷却的，但运行的功率密度比HTGR高。它们最初是作为增殖反应堆开发的，通过使用快中子而不是传统反应堆产生的慢中子，将钍或不裂变铀同位素转化为钚或裂变铀同位素，从而产生比燃烧更多的燃料。

GFR的高级版本使用由陶瓷一碳化铀燃料制成的核心，使其能够在高温下运行。燃料也被配置成每一体积的燃料有高密度的铀原子。

钠冷快中子反应堆（SFR）

另一个快速反应堆是钠冷快中子反应堆（SFR），它是由液态钠冷却的，具有非常好的散热能力。这些都是小型反应堆，因为这允许固有的和被动的安全功能，而这些功能在大型钠反应堆中并不能很好地发挥作用。在美国，使用的燃料是包在钢中的铀和锆的金属合金，而在俄罗斯、法国和日本，倾向于使用氧化铀燃料。这些燃料的热密度低，所以如果反应堆堆芯太热，它会膨胀，导致核反应自然减弱。

堆芯也非常紧凑，因为SFR有一个封闭的燃料循环。也就是说，作为核反应的一部分，铀和钚在堆芯内被回收，使反应堆在两次燃料补充之间可以运行几十年。

铅冷快中子反应堆（LFR）

铅冷快中子反应堆（LFR）是基于为俄罗斯核潜艇开发的反应堆设计，正如其名称所示，使用铅作为其冷却元件。最新的版本在氮化铀而不是二氧化铀上运行。与钠一样，铅提供了一个类似的被动安全系统，在核反应开始失控时自动进行调节。

氟盐冷却高温堆(FHR)

氟化物冷却高温反应堆（FHR）是由氟化锂和氟化铍盐的熔融混合物而不是氦气冷却的高温反应堆。这些反应堆的功率密度是使用TRISO-粒子燃料技术的高温反应堆的10倍。与氦气冷却的反应堆相比，氟化盐允许反应堆在较低的温度下运行，未来的设计将使用“卵石”燃料。

熔盐反应堆（MSR）

在熔盐反应堆（MSR）中，熔盐既是冷却剂又是燃料。燃料不是被制成棒状、球状或卵石状，而是被混合到氟化盐中，流经石墨或类似的慢速中子生成器并控制反应。

MSRs可以在更高的温度下运行，尽管这带来了腐蚀问题，所以设计倾向于更冷的版本。然而，通过结合冷却剂和燃料，清除废物和引入新燃料比传统反应堆要容易得多。

第四代以后

随着对无碳能源的需求增长，导致更多的核电站在世界各地建造，我们将看到这些第四代反应堆上线。由于它们被设计为更便宜和更快地建造，它们很可能很快变得非常普遍。但是第四代之后会是什么？第五代将是什么样的？

在许多方面，它们将是第四代反应堆的更先进版本，建立在上一代的经验教训上，但我们也可能看到新的核电站用于新的利基应用。研究人员已经有计划建造在月球上使用的小型反应堆，并且正在进行技术研究，比如像蜡烛一样燃烧的核燃料，反应从一端开始，随着逐渐吞噬燃料而转移到另一端。

我们还可能看到对核反应堆设计的其他方法的重新审视，这些方法是基于几十年前的实验，但由于更有前途的解决方案而被放弃。其中一些被彻底放弃了，甚至该领域的专家对它们也只有模糊的了解。现在，它们又被重新审视。也许有一天，"核燃料"一词不仅意味着铀和钚，还意味着像钍这样不太为人所知的材料。