建造更安全、更清洁的核反应堆

2009 年的一天，莱斯利·迪万 (Leslie Dewan) 和马克·马西 (Mark Massie) 在麻省理工学院 (MIT) 图书馆翻阅旧文章。在那里，他们发现了核工业在半个世纪前抛弃的两样东西。一是紧迫感：第一座快中子反应堆从 1945 年餐巾纸上的草稿到仅用 18 个月就变成了一个工作原型。另一件东西就是熔盐反应堆。

20 世纪 60 年代，科学家曾在田纳西州橡树岭国家实验室操作过一台熔盐反应堆。但随后资金枯竭，轻水反应堆成为行业标准，熔盐反应堆几乎被遗忘。这在迪万和梅西看来很荒谬。他们了解到，熔盐反应堆比现在使用的更安全。它们燃烧液态铀燃料，而不是固体燃料，这降低了熔毁的可能性。作为受气候变化激励并愿意重新审视核能的一代年轻核科学家，迪万和梅西想知道为什么世界没有使用核能。他们知道，要想击败廉价的煤炭和天然气，新反应堆需要更安全、更高效。于是，他们重新拾起橡树岭的设计，开始工作。

如今，他们的创业公司 Transatomic Power 正准备建造一个新的、更先进的熔盐反应堆。他们的反应堆将燃烧高达 96% 的燃料，而轻水反应堆仅使用 4%，每吨铀可产生 75 倍的电力。它几乎不会发生事故，可以使用其他反应堆的废燃料运行。美国有近 8 万吨放射性废物（每年新增 2,000 吨），它可以将有毒物质转化为有用物质。麻省理工学院核科学与工程系主任理查德莱斯特说：“这就是莱斯利迪万和马克马西的与众不同之处。他们的设计解决了巨大的放射性废物问题。”

他们的反应堆每吨铀将产生 75 倍以上的电力

到目前为止，Transatomic 已获得 600 万美元的资金，其中包括来自风险投资公司 Founders Fund（Spotify、Airbnb 和 SpaceX 的支持者）的 200 万美元。Dewan 和 Massie 已利用部分种子资金在马萨诸塞州剑桥市建立了一个实验室，未来三年，他们将在核裂变产生的极端条件下测试未来反应堆的材料。但他们建造真正反应堆的道路将非常漫长。

以美国与核能的关系为例。冷战期间，美国希望抢在俄罗斯之前建立商业核能产业。美国海军已在其潜艇上使用轻水核能，这为扩大规模提供了一个简单的蓝图。早期将轻水反应堆商业化的技术权宜之计“将美国和世界其他国家锁定在一种技术上”，德万说。

目前美国所有 99 座商用反应堆都是轻水反应堆。这种一致性本来不成问题，直到某座反应堆出现问题，整个核工业就被一概归为一类。三哩岛和切尔诺贝利核电站的熔毁让整整一代人远离了核能。2011 年福岛核电站的熔毁阻止了另一代人使用核能，尽管核能易于扩展、无碳、是基本负荷电力。“核能一旦发生故障，就会造成巨大损失，”马西说，“而且会得到很多报道。”

当我参观他们在剑桥的办公室时，德万和马西在白板上摆满了东西，向我展示他们的反应堆将是多么安全和高效。在轻水反应堆中，装满铀颗粒的燃料棒浸没在水中，水中的中子会减速到一定速度，从而引发铀的裂变并加热燃料棒。然后热水为蒸汽涡轮机提供动力，产生电力。除了两个问题外，该系统运行良好。

首先，核燃料棒中会积聚核裂变产物毒物，如氪和氙。这些气体会消耗中子，最终导致裂变反应停止。每四年左右，核燃料棒就需要更换一次，尽管其中 96% 的能量尚未开发，但核燃料棒还是会变成高放射性废物，必须永远存放在安全的地方。另一个问题是反应堆需要不断的电力来将冷水泵入装有燃料棒的堆芯。冷水可以防止反应堆过热。一旦断电，比如福岛核电站，堆芯就会熔化。

在熔盐反应堆中，铀盐用作燃料。当加热到 500°C 以上时，燃料盐会从固态变为液态。它流过氢化锆，后者会减慢中子的速度并诱发裂变，从而产生热量。由于没有燃料棒来捕获氪和氙，因此它们会不断释放气体。“你基本上要像慢炖锅一样将反应堆煮上几十年，”Dewan 说。“这就是我们实现 96% 燃烧率的方法。我们可以将铀留在里面，并不断清除会关闭反应堆的毒物。”燃料盐流过一个带有排水管的回路，排水管被一块电冷却的冷冻盐堵住。如果反应堆断电，塞子就会融化，燃料会排入一个油箱，在那里冷却并凝固。

“基本上，你要像炖锅一样，把反应堆煮上几十年。这就是我们实现 96% 燃烧率的方法。”

尽管 50 年前在橡树岭就已证实了熔盐反应堆的核物理特性，但 Dewan 和 Massie 仍需要严格测试反应堆的材料。在他们剑桥办公室附近的街道上，Dewan 向我展示了一个实验室，他们将在那里使用冰箱大小的熔炉将金属和陶瓷（可用于反应堆管道、泵和阀门的部件）暴露在盐和极热中。他们的下一步将是设计和建造一座 20 兆瓦的示范反应堆，希望到 2020 年投入运行。他们的最终目标是建造一座 520 兆瓦的商用反应堆，他们表示建造这座反应堆的成本为 17 亿美元，仅为轻水反应堆成本的一半。尽管经济效益良好，但美国核管理委员会并不专注于为先进反应堆颁发许可证。“没有监管框架允许开发商说‘这就是我们需要获得批准的东西’，”莱斯特说。这反过来又阻碍了投资。 “投资者希望看到监管途径，”莱斯特说。因此，像比尔盖茨的 TerraPower 这样的公司，正在寻求在海外建设核反应堆，该公司已经开发了下一代行波核反应堆。巨大的能源需求和污染问题促使中国研究多种类型的反应堆——熔盐反应堆、钠冷快堆和高温反应堆。中国可能会启用多种型号，因为它计划在未来十年建造 45 座反应堆。

对于 Dewan 来说，将他们的技术送到中国将错失良机。她说，如果美国想再次在清洁、安全的核能领域领先世界，就迫切需要放宽监管范围。但煤炭和天然气行业对此表示抵制，他们认为核能是一种底线威胁，而一些环保组织则认为核能永远存在风险。但 Dewan 并未气馁。她不想在中国建造熔盐反应堆。她希望 Transatomic 的业务留在美国，因为核能的希望就诞生于美国。“这是美国技术，”她说。“这是美国工程师。我们希望这个国家能够首先从中受益。”