核電站，其實就是利用核反應(yīng)堆來燒鍋爐，但核反應(yīng)堆與普通鍋爐不同，里面充當(dāng)燃料的不是煤球或石油，是一根根包在鋯合金管里的二氧化鈾，數(shù)量眾多的核燃料棒排列在一起，就形成了反應(yīng)堆堆芯。當(dāng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)停止后，堆內(nèi)的短周期放射性同位素還在不斷衰變，釋放出可觀的熱量，這就是堆芯余熱，能量可以達到反應(yīng)堆運行功率的6%，然后會逐漸衰減。

一座百萬千瓦電功率的核電站，堆芯余熱最高時能達到20萬千瓦，相當(dāng)于一座小火電廠的功率。如果這些余熱不能及時導(dǎo)出，堆芯溫度升高，核燃料首先會燒毀外包殼管，最后開始熔化，引起不可遏制的放射性物質(zhì)泄漏，堪稱核電站的阿喀琉斯之踵。

對于傳統(tǒng)大型反應(yīng)堆來說，確保堆芯余熱的安全散發(fā)，是個復(fù)雜又艱巨的任務(wù)。現(xiàn)有反應(yīng)堆一般采用水冷模式散熱：布置多臺主水泵，驅(qū)動水在反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器之間不斷循環(huán)，用以降低溫度。當(dāng)停堆后需要排出余熱時，則使用專門的余熱排出泵。這個冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性，注定了它是事故多發(fā)區(qū)：維持冷卻系統(tǒng)的電力和作為冷卻液體的水缺一不可，萬一斷電，水泵停止運轉(zhuǎn)，或者反應(yīng)堆內(nèi)的水發(fā)生泄漏，災(zāi)難就近在眼前。所以，即使是相對先進的第三代壓水核反應(yīng)堆，設(shè)置了非能動應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)，在發(fā)生事故后，充其量為前來搶修的工程技術(shù)人員留出72小時的“安全時間”。

用黑科技做減法

那么，NuScale到底都鼓搗出哪些黑科技，才有底氣宣稱基本杜絕了堆芯熔化事故發(fā)生的可能呢？

NuScale的小型模塊化堆，并沒有采用高大上的新材料或新技術(shù)，而是將核電已有的成熟技術(shù)巧妙的結(jié)合，確保了安全性。

從表面上看，NuScale這款“核充電寶”是一個細長的圓柱體，這其實是它的安全殼，完全浸沒在水池中。安全殼內(nèi)才藏著真正的反應(yīng)堆壓力容器，再里面才是核燃料，以往核電站里被視為不可或缺的主泵，被華麗麗地取消了。

沒有主泵，如何實現(xiàn)反應(yīng)堆的冷卻？NuScale的答案是“自然循環(huán)”。NuScale將堆芯放在壓力容器底部，而在高處設(shè)置了一臺內(nèi)置的螺旋管式蒸汽發(fā)生器，冷卻水從下向上流經(jīng)堆芯，被加熱后密度降低，于是繼續(xù)向上流動，經(jīng)過蒸汽發(fā)生器，被冷卻后密度增大，從外側(cè)流道向下流動，形成自然循環(huán)，也就不需要主泵來提供循環(huán)動力了。

取消了主泵這個設(shè)計，顯著提高了“核充電寶”的可靠性。不過實現(xiàn)自然循環(huán)需要一定的高度差，所以壓力容器成了一個細長的圓筒狀。由于NuScale的設(shè)計人員采用一體化設(shè)計，內(nèi)部沒有主管道，即使發(fā)生破裂，噴出的水也可以在安全殼內(nèi)形成循環(huán)，維持堆芯處于淹沒狀態(tài)。

而另一個最引人矚目的天才設(shè)計，是把壓力容器與安全殼之間的空間造成真空的。這種做法是NuScale的獨家發(fā)明：真空阻斷了熱傳導(dǎo)，極大減小了熱損失，并且真空也有利于反應(yīng)堆安全，即使反應(yīng)堆發(fā)生事故，燃料棒外殼中的鋯與高溫水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生了大量氫氣，在真空環(huán)境中也無法爆炸，杜絕了產(chǎn)生類似福島核電站氫爆災(zāi)難的可能。

有了這一套組合拳，NuScale基本杜絕了堆芯熔化的可能。在正常情況下，停堆后的堆芯余熱還可以像沒停堆時那樣，以自然循環(huán)的方式，由蒸汽發(fā)生器導(dǎo)出，只是這時候蒸汽發(fā)生器由最外面的安全殼水池供水，熱量也就被散發(fā)到水池內(nèi)。那蒸汽發(fā)生器壞了怎么辦呢？不慌！這時壓力容器與安全殼之間的真空空腔就派上了用場：打開閥門讓反應(yīng)堆和空腔連通，一回路產(chǎn)生的蒸汽會釋放到安全殼空腔內(nèi)，通過熱傳導(dǎo)把熱量傳遞給外面的水池，凝結(jié)成水后通過閥門又回到堆芯，再次形成自然循環(huán)，完美！

NuScale這款“核充電寶”附帶的安全殼水池容量大約為150立方米，在不斷吸收堆芯的熱量后，可以維持三天不沸騰，整個余熱導(dǎo)出過程沒有用到任何水泵和外部水源，只需要開關(guān)幾個閥門就可以了，而這些閥門甚至可以實現(xiàn)自動開關(guān)。

那三天之后呢？水池確實沸騰了，但此時的余熱功率已經(jīng)不到1兆瓦，這一大池子水，足夠沸騰30天才會燒干，即使沒有技術(shù)人員采取干預(yù)措施，30天后，“核充電寶”的余熱功率已經(jīng)不到0.4兆瓦，靠空氣自然冷卻，也能帶走這些熱量，已經(jīng)不需要操心啦！

為了讓正在運行的反應(yīng)堆安全而可靠的停堆，NuScale還設(shè)置了可靠的控制棒停堆系統(tǒng)。用控制棒插入堆芯來實現(xiàn)緊急停堆的技術(shù)久經(jīng)考驗，已經(jīng)應(yīng)用在幾乎所有反應(yīng)堆上，完全可以信賴。

一專多能的“充電寶”

有鑒于此，在2020年9月，NuScale就拿到了美國核管會（NRC）的最終安全評估報告，這意味著它的設(shè)計和安全性已經(jīng)得到了監(jiān)管當(dāng)局的審查，可以建造了。

NuScale的如意算盤是，既然這個“核充電寶”有如此高的安全性，那把它建在城市或居民區(qū)的周邊完全沒有問題。單臺“核充電寶”的發(fā)電功率是60兆瓦，完全可以供應(yīng)一個人口35000人的小型城鎮(zhèn)。當(dāng)然，如果所在的社區(qū)能耗比較大，也不難解決，只要將12臺機組放在一起（分兩組），就是一座72萬千瓦電功率的大型電站，成本比建12個小電站還低一些。不僅如此，除了供電之外，這個“模塊化”的“核充電寶”還有很多用途：例如把產(chǎn)生的蒸汽導(dǎo)出就能作為社區(qū)供暖之用，加裝一個溴化鋰機組或海水淡化設(shè)備，就可以變成社區(qū)中央制冷系統(tǒng)或者淡水處理廠等等，真是一專多能。

當(dāng)然，NuScale這臺“核充電寶”雖然有眾多的優(yōu)點，但和其它新興技術(shù)和產(chǎn)品一樣，瑕疵也不容忽視。最主要的一個，由于單堆功率小，即使把多個模塊化小堆組成一個大型電廠，共用一些設(shè)施，每千瓦造價仍達到5000美元左右，還是比大型堆高，接近我國華龍一號每千瓦投資的兩倍。不過，由于安全性的大大提升，相信經(jīng)過一段時間的技術(shù)改進和宣傳科普，它最終會被公眾接納，成為未來清潔能源制造的一支新興力量。

作者：人馬座A

編輯：朱步?jīng)_

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