【核反应堆专题】美国开始建造第一个第4代移动核反应堆-为战场提供动力

系统技术交流 2024-10-11 13:47:52

美国国防部透露了恢复开发移动和便携式核微反应堆的想法的计划,这些微反应堆可以通过 C-17 货机飞往偏远地区的军事基地。

美国国防部战略能力办公室 (SCO) 将领导贝利项目,该项目的重点是在爱达荷州国家实验室现场建造原型移动微反应器。

核微反应堆原型将是第四代核发电机反应堆中的第一个。SCO 旨在为核微反应堆生产一种“本质安全”和紧凑的设计。这些微反应堆将能够运输用于军事用途,并能够在至少三年内提供 1 – 5 兆瓦的电力。

贝利项目项目经理 Jeff Waksman 博士在一份声明中说:“先进核能有可能成为美国的战略游戏规则改变者,无论是对国防部还是对商业部门。要采用它,必须首先在实际操作条件下成功演示。

贝利项目的绘图板计划自 2010 年以来一直在进行中,但直到 2020 年 3 月,美国陆军才向三家不同的公司授予了一份价值 4000 万美元的合同,以生产第一个原型。预计这些微反应器的测试和实验过程将于 2024 年完成。

美国陆军寻求部署一个移动核反应堆,为前方作战基地提供动力。(图片来源:国防部)

贝利项目还受到了几个致力于促进防止核扩散的非政府组织和社会活动家的批评。忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)的核安全项目(Nuclear Safety Project)成员对将核微反应堆安装在容易受到军事攻击的军事基地持保留态度。根据他们的说法,这些核反应堆就像是敌人瞄准的坐鸭。

这些核微反应堆的设计和概念表明,它们“将无法在直接动能攻击中幸存下来”,这可能导致严重的核破坏。在解决这些问题时,Jeff Waksman 博士表示,这些微反应器将仅在安全地点使用,并且只有在没有其他发电方式的情况下才会部署它们。美国陆军不打算在任何存在外部攻击危险的地方部署核微反应堆。

Waksman 进一步表示,这些微反应器的新设计采用了“高温气体反应器”技术,与老一代反应器和燃料相比,该技术提供了更高的安全性。

一辆美国陆军卡车拖着一台 Holos 小型核发电机,拆除了外壳、防护罩和辅助部件,展示了容纳核模块的外骨骼结构。(图片来源:Holos/via Forbes)

这不是美国军方第一次计划部署便携式核反应堆为其基地供电。在冷战时期,陆军核电计划从 1954 年到 1977 年运行,根据该计划开发了八个小型可移动核反应堆。这些反应堆可以产生 1 到 10 兆瓦的电能。然而,这些反应堆的原始设计发生了重大故障,导致爱达荷州国家反应堆测试站的八个反应堆中的一个反应堆堆芯熔毁和爆炸,造成三名操作员死亡。这一事件迫使国防部关闭了陆军核电计划。国家反应堆测试站现在被称为爱达荷州国家实验室,预计将于 2024 年对 Pele 项目反应堆进行测试。

军方着眼于半自主运行的移动核反应堆,以实现可快速部署的原子能

弗吉尼亚州阿灵顿 — 美国军事研究人员正在对工业进行调查,以寻找能够为陆地和海上前沿部署的战斗部队开发小型移动核反应堆的公司。

位于弗吉尼亚州阿灵顿的华盛顿总部服务采购局的官员周五发布了小型移动核反应堆项目的信息请求 (RFI) (RFI-01182019-RD-WHS019)。

华盛顿总部服务部门代表美国国防部研究和工程副部长办公室 (OUSD(R&E) 发布此 RFI。

这个可部署的原子能发电厂应产生 1 到 10 兆瓦的电力;重量不超过 40 吨;de 可由卡车、轮船或 C-17 货机部署;使用被动风冷;并且具有本质安全性,因此在电力中不可能发生堆芯熔毁,并且会丢失冷却。

这个便携式核电站的建立时间不应超过三天;应运营三年以上不加油;关闭和移除时间不超过 7 天。它应该提供无人控制的半自主操作,并使用高分析低浓缩铀 (HALEU) 先进气体反应堆 (AGR) 三结构各向同性 (TRISO) 燃料运行。

研究人员表示,能源是军事行动的关键使能组成部分,随着时间的推移,对能源的需求将继续增加。今天的军事行动放大了对替代能源的需求,以实现前沿陆基和海上军事行动的机动性。

为了满足预期的电力需求,军事研究人员正在要求工业界提供创新技术和方法,以便未来能够演示小型移动核反应堆原型设计,从而在军事快速响应场景中提供安全、可靠和几乎无限的资源。

小型移动核反应堆可以使美国军队的国内基础设施能够抵御电网攻击,并通过提供更多能源和大幅简化主要依赖柴油发电机的复杂燃料物流线路,从根本上改变前沿作战基地的物流。

NASA Glenn 的微型核反应堆实验。

美国宇航局格伦/维基共享资源

随着美国军方寻找在不久的将来确保其能源需求的方法,它现在已经朝着这个方向迈出了重要的一步,为其第一个微型核反应堆选择了选址。一份新闻稿称,空军部已选择阿拉斯加的艾尔森空军基地 (AFB) 来试点这种下一代能源能力。

随着战争中对电子设备的依赖程度越来越高,美国军队的电力需求多年来激增,预计还会进一步激增。然而,为了控制碳排放,甚至在国家安全问题上,国防部现在正在将核能作为一种“更清洁”和可靠的来源。上个月,我们报道了国防部正在推进在爱达荷州安装便携式核反应堆的计划。

新闻稿还继续指出,微型反应堆试点的建设是为了响应 2019 年国防授权法案,该法案要求在 2027 年之前确定建造和运营微反应器的潜在地点。新闻稿称,空军将与能源部和核管理委员会合作,为微反应堆试点提供便利,并确保该试点以安全为第一要务进行。该微型反应堆获得美国核管理委员会的许可,将由商业拥有和运营。“微型反应堆是确保能源弹性和可靠性的一种很有前途的技术,特别适合为艾尔森空军基地等偏远的国内军事基地供电和供暖,”空军负责环境、安全和基础设施的副助理部长马克·科雷尔 (Mark Correll) 说。

艾尔森空军基地位于北极圈以南仅 110 英里处,依靠燃煤发电厂来满足其能源需求。一份较早的新闻稿称,随着气温下降到零下 50 度,空军基地的两台机车在一年中最冷的月份每天将多达 1000 吨的煤炭运送到发电厂。

然而,人们期望核反应堆在地球上解决的不仅仅是加热问题。便携式核电站也受到关注,以推动太空推进并为火星等遥远行星上的人类居住区提供动力。

贝利项目

2016 年,国防科学委员会 (DSB) 将能源确定为未来军事行动的关键推动因素。它指出,战场能源使用量在未来几十年内可能会显着增加。

因此,国防部战略能力办公室 (SCO) 启动了贝利项目(以夏威夷火与电女神的名字命名),以开发第四代核微反应堆,以提供能量以支持偏远和严峻的环境

此外,在 2022 年,国防部决定继续实施该计划,指定需要一种高温气冷 (HTGR) 移动微反应器,能够在三年多的时间里生产 1-5 MWe 而无需加注燃料。

最初选择了两种设计,一种来自 BWXT Advanced Technologies,另一种来自 X-energy。最后,BWXT 的微型反应器被国防部的 SCO 选中进行开发。

贝利项目的目标是在五年内设计、建造和演示原型移动核反应堆。它由上海合作组织牵头,与能源部、核管理委员会、美国陆军工程兵团以及行业合作伙伴合作。

先进的第四代核反应堆

到达 INL 后,微型反应器将由卡车运送到测试现场,并放置在混凝土盾构结构内。

管道和电线将反应堆与 INL 的专用微电网相连。一旦反应堆的最终安全审查完成,Pele 项目团队将继续进行初步的测试和评估计划。

“我们很高兴能够超越 PowerPoint 先进反应堆的时代,”Pele 项目项目经理 Jeff Waksman 博士说。“我们与 INL 和能源部爱达荷州运营办公室的密切合作不仅引领了先进反应堆的制造,而且以高效和安全的方式对其进行监管。”

INL 主任 John Wagner 博士说:“我们预计 Pele 将成为本世纪末之前在这里托管的新一代先进实验反应堆的第一批反应堆之一。

根据核能办公室的一份新闻稿,该反应堆预计将在实验室运行至少三年,并将有助于展示使用清洁、可靠和可运输的核能,以帮助满足全国各地军事基地日益增长的能源需求。

它进一步提到,BWXT 将利用从 Project Pele 中学到的知识来推进其以民用为重点的 BANR 微反应器,该微反应器得到了能源部先进反应堆示范计划的支持。

在陆军副参谋长 G-4 委托编写的 2018 年一份 148 页的报告中,作者声称此类反应堆的好处将有助于减少燃料物流和储存问题,减少大规模发电的基础设施挑战,帮助缺乏电网的地区发电,并为能源密集型系统供电。

根据 NPPP 的报告,国会批准了对原型反应堆的资金,陆军于 2020 年 3 月向三家核反应堆公司授予了 4000 万美元的贝利项目合同。

库珀曼抨击了陆军的理由,称该项目不必要且危险。他反驳了国防部和陆军报告提供的一些主要理由:

高成本 – 库珀曼表示,陆军声称核电可以为未来的前沿基地提供更便宜的电力是“基于不切实际的假设”。其中包括这样的反应堆建设成本低,并且在 40 年内每天运行 18 小时。更有可能的情况是,移动反应堆将在大约 10 年内运行一半的时间,这意味着核电的成本可能比估计高 16 倍,但仍比柴油发电高 7 倍。

易受导弹攻击 – 该报告指出了 2020 年伊拉克阿萨德空军基地部队遭到导弹袭击。即使提前数小时发出警告,仍有 100 多名美国人员因该设施的 11 次空袭而遭受创伤性脑损伤。这些导弹的准确度比美国陆军在其关于反应堆易受精确打击的报告中预测的要准确 10 倍。该服务承认,直接击中反应堆会摧毁该装置。库珀曼指出,即使陆军计划通过将反应堆埋在地下来保护反应堆,也可能通过阻碍空气冷却和导致过热而无意中导致熔毁。对带有反应堆的类似未来基地进行类似打击可能会造成更具破坏性的后果。

被占领的反应堆 – 如果装有移动反应堆的美国基地被占领或废弃,反应堆中的放射性废物可能会用于“脏弹”恐怖袭击。

没有反应堆的任务 – 追求此类反应堆计划的主要目的之一是减少柴油运输到偏远基地的伤亡。但国防部的数据显示,2005 年交付的每 100 万加仑燃料中有 5 人伤亡人数急剧下降到 2013 年几乎为零。

高能武器不需要反应堆 – Kuperman 指出,陆军希望拥有的未来高能或激光武器保护基地的理由是不需要反应堆供电。“高能武器必须发射数百万次才能证明反应堆的合理性,”库珀曼说。“实际上,这种武器在其生命周期中可能会发射数百次。”

运输问题 – 陆军希望将这些反应堆空运到战斗哨所。库珀曼质疑这将造成的“监管噩梦”。该计划要求对反应堆进行初步测试,将反应堆在国内飞行以运行,然后将其及其放射性废物送回另一个国内地点。他说,外国运输需要获得所经过领空的国家的批准,并得到反应堆所在地的批准。陆军的其他建议包括国内卡车或铁路运输,以及通过船舶或跨洋航班飞往友好港口,然后通过卡车或铁路再次移动反应堆。

《陆军时报》在 2019 年报道了拟议的计划,该计划引起了忧思科学家联盟及其时任核安全项目主任埃德温·莱曼的强烈反对,他称该提议“天真”。

最初的提案得到了五角大楼战略能力办公室的批准,于 2019 年 1 月要求提供行业解决方案,以提供一种重量小于 40 吨的小型移动核反应堆设计,该反应堆可以运行三年或更长时间,并提供 1 至 10 兆瓦的电力。

规划者希望反应堆能够安装在 C-17 货机内,以便空运到战区。最近的举措已将功率输出降低到 5 兆瓦。

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