美军移动式微型核反应堆研发情况

导读

在伊拉克和阿富汗战争期间，美军有一半的人员伤亡来自于后勤保障系统。随着定向能武器、电磁轨道炮、电动汽车和无人机的大量使用，未来战争对电力的需求越来越高，建立简单高效的后勤能源补给体系显得尤为重要。为此，以美国为首的西方发达国家开始资助移动式微型核反应堆(微堆)的开发，以此来为军队提供源源不断的便携式电力。

美国陆军移动式核电计划始于1954年，在这一计划的20多年中，美国陆军先后建造并运营了8座小型动力堆，如ML-1、SL-1、SM-1A、PM-2A、PM-3A等，电功率从不到1兆瓦到10兆瓦不等，其中有五个核反应堆被设计为一定程度的可移动性。

部署在南极麦克默多站的PM-3A反应堆

其中，ML-1是一座实验性核反应堆，于1961年至1965年之间建造，其目的是提供车载核动力。该核反应堆可以随时随地运送，并为指挥和通信中心、仓库、雷达站、武器系统提供电力。与该计划的其他七个反应堆不同，它没有使用蒸汽轮机，而是使用了315p的氮气冷却剂来驱动闭环燃气轮机，设计输出3.3MWt热功率和400kW的轴马力，出口温度为648℃。尽管氮气封闭式燃气轮机的设计理念先进，但该设计未能达到预期的效果，ML-1于1965年关闭。

ML-1移动核反应堆

1961年，部署在爱达荷州的SL-1反应堆由于中央控制棒抽出不正确导致堆芯熔化爆炸，炸死了三名操作员。尽管其它反应堆没有爆炸，但事实证明它们不可靠且操作昂贵。基于该经验，陆军移动式核电计划于1977年停止。

目前，新一代的供应商正在销售小型核电站，他们声称这种核电站成本更低，安全性更高，五角大楼显然希望重新参与其中。工作人员审查了这种新型核反应堆概念，发现它们在大小和技术上与为商业用途开发的小型模块化反应堆(SMR)概念不同。这些反应堆中的一些是输出功率低于10MWe(兆瓦电)的超小型模块化反应堆(vSMR)或者称为微型核反应堆(Micro-nuclear reactor，Mini-nuclear reactor)，它们具有移动性，可以在部队远征情况下运输和部署，从而减少对后勤电力燃料的需求。

2016年报告中使用移动微堆的远程和前沿作战基地的能源系统

2016年，美国国防部国防科学委员会发现，移动式微型核反应堆将“从根本上改变前沿作战基地的后勤基础”。其中，有两个概念反应堆在技术上比其他概念更成熟。第一个是LANL的MegaPower核反应堆，第二个是Filippone and Associates LLC的Holos气冷微型模块化核反应堆。

LANL实验室MegaPower微堆设计

2018年9月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的官员发布了其正在建造的2兆瓦微型核反应堆MegaPower以满足军队需求的工作细节。在MegaPower微型核反应堆中，核燃料是HALEU(高丰度低浓铀，235U丰度在5%-20%之间)。燃料被封装在固态钢制安全壳中以形成亚临界核芯， 核芯周围是中子反射器和控制棒。

MegaPower的结构特点

MegaPower采用与空间堆KiloPower类似的热管冷却技术、非能动安全设计，可以提供0.5至2兆瓦的电功率。核反应堆被放置在标准运输容器中，容器外部附带特殊装甲和其它保护措施，可以使发电装置不受设计基准的攻击，还可以保护工作人员和环境免受堆芯辐射的影响。

MegaPower的热管

核燃料是铀235浓缩至19.5%的氧化铀。从扩散的角度来看，这种低浓缩水平被认为是“非武器级”。整个发电装置可以运行12年，重约35吨，可通过空中和公路运输。项目还得到了来自NASA的资金支持，预计在2022年以后可以提供原型演示。

MegaPower概念图

Holos气冷硬化微堆(Holos Gas-cooled Hardened Micro Modular Reactor,H-MMR )

霍洛斯气冷硬化微堆的特点是“即插即用”，可以全天候运行。核心组件装配在商业上用于临时/永久处置核废物的存储罐中，以最大程度地降低退役成本。如果需要，每个子组件可以装载不同的易裂变和可增殖同位素。Holos在每个密封的堆芯子组件中集成了模块化的电源转换系统，不需要在加装装甲的罐式运输集装箱外部添加设备。该反应堆功率可以根据具体情况进行配置，提供3MWe-81MWe的电力负荷。

Holos气冷硬化微堆的特点和用途

在运行过程中，对Holos核燃料的冷却仅依赖于环境空气，并且使用被动式余热排出系统。根据不同的配置，Holos的燃料循环时间为12-20年，始终密封有8%-15%的浓缩核燃料。在燃料循环结束时，燃料组件可安装在许可的运输和存储罐中，以进行长期存储，且退役成本低。

Holos堆芯结构

当在燃料循环结束更换燃料组件时，可以对Holos功率转换组件进行翻新，从而使发电系统的总寿命达到60年。在此设计中，用于将核心热能转换为电能的热力学循环是基于布雷顿(Brayton)动力循环的。在某些配置中，该设计集成并结合了使用有机流体运行的朗肯循环，将衰变的热能转化为电能，以提高效率。

F&A Holos气冷硬化微堆结构

Holos的堆芯是一种使用TRISO(“三向同性”燃料)的高温气冷堆芯，核燃料可以是钚、铀或者钍，可以根据不同要求进行配置。TRISO燃料由铀(钚或钍)的小颗粒组成，上面覆盖有不同的材料层(SiC等)，这些材料旨在将大多数裂变产物保留在最高1600摄氏度的温度下。长期以来，TRISO燃料爱好者一直声称利用它的反应堆不需要安全壳。这似乎使TRISO成为小型、移动式反应堆的理想燃料，这些反应堆无法配备商用动力反应堆所特有的大型、防漏容器结构。美国军方报告认为，这些“封装的”核燃料可以“避免放射性挥发性元素的释放”，并防止在正常运行或事故中对周围区域的污染。

Holos燃料棒的结构

但是，TRISO核燃料的实际性能一直与设计有出入，美国能源部已经实施了十多年的计划，以尝试改善TRISO燃料，但是几年后才有望取得最终结果。此外，如果燃料温度升至1600摄氏度以上，裂变产物的释放会迅速增加，使其容易受到燃烧武器(如铝热剂)的攻击。气冷反应堆中普遍存在石墨(这种可燃物质在1986年4月切尔诺贝利爆炸之后为世界带来了为期11天的放射性大火)，带来了其他危险。由于石墨会在高温下氧化，因此必须保护气冷反应堆，以防止出现可能使空气或水与堆芯接触的微小裂口。

Holos燃料组件的结构

与压水堆和其它第四代反应堆设计方案不同，Holos热工液压、涡轮机械和发电组件完全集成并密封在亚临界功率模块中，并且与燃料组件一起密封，与美国冷战时期研究的核动力航空发动机类似。布雷顿循环发电通常是通过齿轮减速来实现涡轮转速与发电机转速匹配，而Holos的集成式动力控制单元(PCU)是直接驱动的，涡轮与发电机直接联接。

Holos的动力集成

Holos的废热回收和转换功能还放宽了地下乏燃料库的热负荷要求。此设计中使用的电源转换组件是现成的，额定功率可与全球范围内形成航空喷气发动机和燃气轮机的功率相媲美。这种方法简化了设计，并遵循适用于航空系统的法规和质量保证计划，可进行工厂认证。Holos的创新架构提供了一种手段，可通过增强安全性和降低成本的方式来支持可满足各种应用需求的可移动电源，从而使Holos发电机与各种发电技术相比具有竞争力，并与可再生能源技术协同作用。

美国陆军卡车拖运带有外罩和辅助部件的Holos核发电机

2018年，美国陆军副总参谋长在地面行动用移动核电站报告中称移动微堆为“颠覆性创新的经典范例”。如果陆军采用全电动旅的实验得以实现，那么燃料运输车队的数量将大大减少，甚至可能被淘汰。

美国陆军在研发移动式微堆的同时也在研发军用电动车辆

2018年6月，美国国防部提出了对移动核反应堆解决方案的具体要求。该计划是为三个原型微反应堆的设计提供资金，并最终建造其中一个。符合该计划要求的反应堆必须具有几个关键属性：

• 它们的尺寸必须适合陆运、海运或空运的卡车底座;

• 其设计必须“本质上是安全的”，这意味着在遭受攻击时不会发生崩溃或人员安全的威胁。

一系列私营公司——包括Holos Gen、X-energy等初创公司以及General Atomics和Westinghouse等成熟的核技术公司的设计都可以满足这些严格的操作和安全要求。

2019年，美国国防部授予BWX Technologies Inc，Westinghouse Government Services和X-energy LLC合同，以各自开始进行移动式微型核反应堆原型的设计工作。该项目的工程设计阶段将持续2-3年，此后，会从三个设计中选择一个来建造和演示原型堆。BWX Technologies获得1350万美元，X-energy获得1431万美元，Westinghouse 获得1195万美元的资助。

西屋公司eVinci^TM

西屋公司将使用这笔资金在其微型核反应堆eVinci^TM基础上进行改进，最终确定一个原型防御型eVinci(DeVinci^TM)移动核电站，该电站将可以使用标准军用运输工具进行运输。

DeVinci^TM概念图

eVinci^TM微型反应堆的设计理念与LANL的MegaPower类似，属于热管冷却反应堆。它是西屋电气公司结合了核裂变、空间反应堆技术和超过50年的商业核系统设计、工程与创新能力研发的一种具有更高的可靠性和最少的维护需求的先进反应堆。与大型集中式电站相比，发电机的小尺寸使其更易于运输和快速的现场安装。反应堆堆芯的设计运行时间超过10年，无需频繁加料。其基本参数如下表所示。

图表：eVinci^TM主要技术参数

参数	数值
反应堆类型	热管冷却反应堆
冷却液/调节剂	热管/金属氢化物
热/电容量，MWt/MWe	0.6-40/0.2-15
热功率（MW）	15
初级循环	热管
燃料类型	UO2或UN
燃料浓度（％）	19.5
燃耗（GWd/吨）	对于1.2MW（t）反应堆，小于10
燃料循环（月）	120
反应性控制机制	落棒
设计寿命（年）	10年
厂房面积（m2）	＜1500
特色	半自主运行的可运输反应堆

数据来源：国际原子能机构

eVinci^TM微型反应堆的主要优点归功于其实心堆芯和先进的热管。核心包裹燃料可以显著降低扩散风险并增强用户的整体安全性。热管可实现被动堆芯散热和固有的功率调节，从而实现自主运行和固有的负载跟随能力。这些先进技术使eVinci^TM微型反应堆成为具有最少活动部件的伪“固态”反应堆。

eVinci^TM概念图

eVinci^TM微型反应堆的主要组件如下图所示。该反应堆系统由氮化铀或氧化物燃料和金属氢化物慢化剂组成，它们装在紧凑的燃料棒中，该燃料棒由耐蠕变的高温材料构成，并带有与燃料通道成六边形排列的嵌入式热管通道。堆芯由大型的径向和轴向反射器包围。反射器中的控制鼓用于控制反应堆温度和功率水平。使用中央紧急安全关闭装置或金属氢化物慢化剂的氢气释放装置来安全关闭反应堆。

eVinci^TM微型反应堆结构示意图

高温双端钠热管用于将热量从核心区域传递到各种热交换器。碱金属热管在长距离内以最小的温降传热非常有效，从而消除了对反应堆冷却剂泵和其他与主要反应堆冷却相关的辅助系统的需求。eVinci^TM微型反应堆可用于各种功率转换系统，而不必每次都重新设计堆芯。例如尽管参考设计使用了600ºC超临界二氧化碳(sCO2)布雷顿循环，但该反应堆仍可轻松地与斯特林发动机配合使用。

X-energy LLC公司Xe-Mobile

X-energy LLC成立于2009年，致力于推广75兆瓦的Xe-100高温气冷堆设计。2018年之前，X-energy就在研发X-Battery微型高温气冷堆。高温气冷堆是一种石墨慢化、氦气冷却反应堆，使用三元结构各向同性(TRISO)燃料。

X-energy LLC公司的TRISO核燃料

目前，X-energy在其官网上公布了一种新型可移动式微型核反应堆Xe-Mobile，用于满足陆上、海上和空中可运输小功率发电的需求，这应该是其为美国国防部开发的移动式微堆。Xe-Mobile的功能包括：

• 铁路、卡车和美国军用运输机的兼容性;

• 所有组件都装在标准ISO容器中;

• 可以满功率运行3年以上;

• 由于成熟度高和安全性强，因此使用TRISO燃料;

• 产生至少1 MWe的电源;

• 提供多个电压输出。

BWX Technologies Inc是美国海军承包商，负责核动力堆的建设和核燃料供应。该公司2019年11月宣布一直在开展移动式微堆研发，但没有公布其他详细信息。

总结

随着军队电动车辆、电磁武器、激光武器的开发和陆续入役，未来战争对电力的需求会越来越大。美军为了解决电力补给问题，研究设计了数款移动式微型核反应堆，其电功率在1MWe-10MWe左右，可运行10年以上。按照现在的开发进度，美军会在2022年以后开始建造用于实验演示的移动式微型核反应堆，以优化其未来的电力补给。

主要参考文献

[1]UMOBILE NUCLEAR POWER WILL ENABLE A LOGISTICS REVOLUTION FOR THE ARMY.

[2]Russian Defense Ministry confirms portable nuclear reactor development.

[3]US Defense Department awards microreactor contracts.

[4]Very small modular nuclear fission reactors for military and space applications.

[5]KAIST research team proposes micro modular nuclear reactor cooled by supercritical CO2.

[6]Conceptual design of reactor system for hybrid micro modular reactor (H-MMR) using potassium heat pipe.

[7]The SL-1 Nuclear Incident.