【軍事博評】William:美軍正式招標流動核反應堆 核科技競賽再臨?

2020-03-16 11:27:38
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

核能科技公司HoloGens提出的流動核發電堆模型。(網絡圖片)

美國國防部於上周二投入4千萬美元,分別向BWX Technologies、西屋及X-energy三間公司開出初期合約,要求他們開發一種發電量1-5百萬瓦(MWe)的超小型流動核反應堆,兩年後再檢討三方的設計,優勝方會獲資助建造一個展示用的原型堆,性能可靠的話將進行量產並作為日後美軍境內或海外的強力流動發電設施。

這種發電堆可以小到什麼地步?照現時所見,是堆芯及一、二次循環,甚至發電機組都可以塞進一個20至40呎貨櫃內,而且現在超小型反應堆已進一步模組化(稱為小型模組化反應堆 / Small Module Reactor),即多個反應堆可以組合起來,共用一個發電機或部份防止核事故設施。另外國防部並沒有限制反應堆的種類,意味除壓水堆外,團隊也可試用諸如溶鹽堆、氣冷堆或液態金屬反應堆等體積小而輸出功率更高的反應堆設計:要知道近年相關的高性能小型反應堆科技有很大發展且十分具潛力,例如俄國海神核動力魚雷所用的反應堆連循環系統大小可能不過8立方米;NASA的火星登陸用超小型反應堆Kilopower亦正在開發中。

NASA開發中的Kilopower小型發電堆原型堆,結構更簡單,堆芯在最下方的圓筒內,正式型號會將堆芯直接插在地底。反應堆會接駁上方的數個筒狀斯特林發動機。此系統主要以金屬納作為傳熱劑並推動主機。正式型號上的大板為散熱片。(網絡圖片)'

 

今次可說是美軍自六十年代後再次迎來非船用動力的核發電系統。美國陸軍曾於1950年代後期提出陸軍核能計劃(Army Nuclear Power Program / ANPP),其目的也十分類似。在該計劃下,美軍曾於南極最大有人聚居點麥克默多站建立一部發電量達1.8 MWe的PM-3A型反應堆,再之前亦曾為美軍巴拿馬營區及家屬居區建設了發電量更高(10百萬瓦)的MH-1A船舶平台反應堆。其他的軍用陸上 / 海上平台發電反應堆只停留在實驗室階段,而且整個計劃於1976年完全終止。

左圖的MH-1A是一條已拆了動力系統的二戰自由輪貨船,燃料裝載量為100公斤左右的鈾235,若加上鋯合金的慢化中子層,燃料總重量為2噸左右;右圖是南極到現時為止唯一使用過的核裝置-PM-3A發電用反應堆的設備,其堆芯只有一個油桶大,不過使用的鈾235濃度達93%,達軍用級別。不過由於設計及材質的問題,這個超小型反應堆的輻射外洩比較嚴重。(網絡圖片)

 

若連實驗階段也計算在內,美軍1961-1965年期間倒有試驗過一種編號為ML-1、裝設於重載車輛上的核反型堆。由於只是試作,反應堆發電量只有400千瓦左右,堆芯外殼高度只有一個成年人,而真正堆芯大約只有人的軀幹那秊小,不過其是用相當先進的氮氣冷式反應堆,更重要的是大小及體積是在一個中重型卡車拖運的水平(同期前蘇聯的)。然而經過總計只有過百小時的試驗,陸軍於65年評估過後,發現其成本是柴油發電機的10倍,經濟效益很差,故當即停止研發了。

ML-1反應堆,事實上是後面那個圓筒型物體。左邊的方箱應該是一次循環系統及渦輪機。全系統需要六個類似大小的平台,包括發電機組、支援車及控制室。(網絡圖片)

 

美軍這個時候再度投入小型核電技術,似乎是拜特朗普比較飄忽的能源政策所致。眾所周知特朗普非常親美國的化石燃料開發產,對可再生能源的開發並不欣賞,對減碳更是嗤之以鼻,不過對於核能這種具備巨大環保優勢的能源工業,他卻相當支持,例如任內通過建設3個大型發電反應堆,同時又推動小型模組化反應堆的建造工作,其總規模(12個小堆)相當於一個中型發電用反應堆,小型模組化反應堆現已建造體積為1:3的展示堆,並希望正式生產的發電堆可於2028年完成。由於價格與所需佔地都較少,進行融資也相對容易,而這個速度比過去二十年美國建設核廠的耗時都要少一半了。

超小型核反應堆SL-1爐芯熔毀事故,是美國早期核電史上一次著名的事故。事故是由於不依規定抽起控制棒,導致超臨界反應及蒸氣爆炸所玫,事故中三名操作員被炸飛的物件砸死。事件中即使爐芯幾乎全毀,輻射物質(錪131)的洩漏量亦只有福島核事故的0.0022%,對環境影響非常非常低。SL-1事故及往後的調查,成為核安全守則製訂的重要里程碑。(網絡圖片)

 

事實上,小型模組化核反應堆即使發生核事故,由於所用燃料數量低得多,就算爐芯熔毀,可翻出的輻射物質也遠沒有大型核電廠大,就算不幸發生嚴重事故,事後處理也相對容易得多,以首次爐芯熔毀事故的SL-1反應堆為例,其事故級數後來也只相當於四級核事故;另外,小型模組化反應堆也因為體積及能量較少,所需要的冷卻劑較少,不斷冷卻以防止爐芯熔毀也更容易,而且必要時以外力阻止溶毀也更容易,例如部分設計就是整個反應堆放入冷卻池中,必要時可以直接以冷卻池的水直接阻止溶毀。

美軍位於伊拉克的艾比魯基地(左)美軍很多駐外基地都是戰亂區,能源供應不穩定,若要定期補給恐也成攻擊目標,故安設小型核反應堆供電、供熱甚至做海水化淡也不失為有效的減少必需品補給的措施;(右) BAE的電磁砲樣砲。若電磁砲的能源轉由核電推動,至少可以省掉一半的貨櫃。(網絡圖片)

 

而作為機動型的超小型反應堆,甚至可以將反應堆直接半埋在地面,可當成一個臨時的圍阻體,加強防護之餘,部分小型反應堆亦可使用更方便安全運輸的設計,例如若使用溶鹽堆,搬運或停機不用時,與冷卻劑運合的核燃料甚至可以抽出來另外儲存,更進一步減少安全隱患。

一種反應堆半埋式臨時核發電設施的設計(下圖)。相片節錄自2009年美國國防部的未來軍事核能應用講座。(網絡圖片)

 

為何已放棄多年的軍用核發電計劃,現在又被拉上日程?除科技發展已容許建造更小型及更安全的反應堆外,小弟認為還有以下三個原因:

公開資料顯示SPY-1雷達輸出功率平均為一平方公尺460KW左右,其所需電力(包括冷卻用電)2-4MWe才能滿足全功率需求。(網絡圖片)

1. 為大型基地及反彈道導彈設施提供臨時獨立電源?

這可說是美軍今次計劃表面上的首要目的,而且在10年前國防部一份評估中就提出過。美軍的軍事基地(無論是國內基地還是海外的臨時基地),往往需要較大的能源供應,非每一個地區的電網都能提供,且電網極易受攻擊。獨立而不需補充化石燃料的發電系統,可支持美軍前進基地、大型反導雷達甚至神盾陸上反導站,甚至將來可能出現的激光砲與大型磁軌砲,都能提供足夠的電力供應。更重要的是,流動核發電設施發電能力接近半永久,對於長期於作戰狀態的基地或後方遠程武器群而言,實際利益非常高。

西屋之前推出的"達文西"小型模組化反應堆。由重型軍用拖車Oshkosh M1070可知,這設計似乎也有針對軍事用途的。(網絡圖片)

 

2. 為商用模組化核反應堆打好生產基礎?

國防部的決定也可能和現時美國能源市場與科研發展有關:一方面,作為火星登陸用的太空用核動力推進系統已放上研究日程,產熱用小型核反應堆亦已進入工程試作階段。民用方面,幾個廠已經著手設計甚至建造民用的小型 / 超小型核反應堆(例如Nuscale於猶他州興建的12個SMR發電堆),美軍可能引進小型模組化反應堆,一方面是技術已經開始成熟及具可用性,加上民用科技支援,更易成功;另一方面軍用訂單亦可透過增加反應堆產量,令民用堆價格更低,可以更易開拓市場(三間受邀)。這也算是重用國家資源支持高新科技發展的舉動呢。

Pamir-630Д車組的發電機車組原型車,反應堆安全距離為150公尺,並運作了接近一年半,不過基於1986年的切爾洛貝爾核事故,該計劃亦被評為不夠安全而被停止。(網絡圖片)

 

3. 應對中俄新世代先進核電計劃?

美軍恢復核能的利用,更可能是謀求保核科技上的優勢。其實自80年代後,美軍對除船用核能力與核彈外,對於其他用途的核能已不重視。相對地,蘇聯卻沒有放棄極少數較佔優勢的項目;事實上,蘇聯還開發了更先進更具機動性的流動發電設施Pamir-630Д。

俄囼的狀況六型核動力魚雷(又稱海神系統)。藍色部分為反應堆及其一次循環系統。(網絡圖片)

 

蘇聯解體後,俄國基本上完全承繼了前蘇聯的核工業與研發成果,而且在俄國經濟最貧乏的時期,核工業計劃仍得到相當大的投資。這些投資在2000年後陸續得到成果,例如新的潛用堆、新的四代發電用反應堆,超小型的潛用鉛鉍合金液態冷卻反應堆,甚至可作為航空動力、核火箭及空間核電離子推進器用的超輕型核反應推進裝置。可以說,若單就小型 / 超小型核反應堆而言,俄國一直處於領先地位,最近更重新發展流動核發電系統,打算用於北極地區軍事訪施之用。若果俄國相關技術繼續突破,美軍在某些核技術上可能會處於更為嚴重的劣勢中。

(左)中國小型核反應堆及海上發電平台的使用圖例;(右) ACP-100S小型模組化反應堆,其承襲法國核溍的一體化自然循環式反應堆科技,水泵及一次循環系統都集成到反應堆上,其至可以四個組合成一個發電組合。(網絡圖片)

 

相對而言,現時所知中國的小型核電計劃更偏向民用,主要是為海上能源平台、海島或不太適合興建大型反應堆設施的地方興建核發電設施。這些小型核電站設計主要來自核潛艇自循環式的反應堆設計,即不開水泵都可以經爐內熱力進行自循環,即使水泵故障都能保持水循環,保持爐芯保持持續冷卻,更不容易溶毀。由於需求不小,不用興建大規模的核電廠而更容易推廣,其實亦能有很大的發展前景。

可見在軍用與民用核能小型化上,中俄兩國已漸成左右夾擊的形勢,單就美國而言,似乎不能容忍連核領域亦失去優勢,或者另一個"高超音速武器差距"再次出現,投入發展相關技術也是必須的事。

發佈於 軍事博評
By 2020-03-16

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