概念与原型：两款下一代核弹

3 月份福岛核事故发生后，人们对新建核电站的兴趣降至切尔诺贝利事故后的最低点。从意大利到瑞士再到德克萨斯州，监管机构纷纷叫停了正在建设的核电站项目，美国核管理委员会 (NRC) 也开始重新评估国内所有核电站的安全性。然而，核电仍占美国总电力的 20%，占无排放能源的 70%，这在很大程度上是因为没有其他替代能源的效率能与核电相媲美。

一座占地面积为一平方英里的核电站提供的能量相当于 20 平方英里的太阳能电池板、1,200 台风车或整个胡佛大坝的能量。如果美国想大幅减少对碳能源的依赖，就需要建造更多的核电站。问题是如何安全地做到这一点。

自监管机构上次批准在美国建造新核电站以来的 30 年里，工程师们已经大大提高了反应堆的安全性。（您可以在这个精美的画廊中看到一些较旧、不太安全的核电站。）最新的设计，称为第三代+核电站，刚刚开始投入使用。（第一代核电站是早期的原型；第二代核电站建于 20 世纪 60 年代至 90 年代，包括福岛核电站；第三代核电站于 20 世纪 90 年代末开始运行，但主要在日本、法国和俄罗斯运行。）

与前代反应堆不同的是，大多数第三代+反应堆都具有多层被动安全元件，旨在避免发生熔化，即使在断电的情况下也是如此。欧洲正在顺利建造第一座第三代+反应堆。中国也在建设至少 30 座新核电站。在美国，南方公司最近在佐治亚州奥古斯塔附近的沃格特尔核电站动工建造该国第一座第三代+反应堆。两座反应堆中的第一座将于 2016 年投入使用。

与美国 20 多个正在建设的第三代以上核电站一样，沃格特尔核电站将安装西屋 AP1000 反应堆。AP1000 反应堆是一种轻水反应堆，它促使铀 235 发生链式反应，释放出高能中子。这些粒子将水加热成蒸汽，然后推动涡轮机发电。

核电站最大的危险是熔毁，即固体反应堆燃料过热、熔化并使其安全壳破裂，释放出放射性物质。（想要了解更多信息？查看我们的解释，了解核反应堆的工作原理及其故障原因。）与大多数反应堆一样，AP1000 采用电动水泵和风扇冷却，但它也有一个被动安全系统，该系统利用重力、冷凝和蒸发等自然力在停电期间冷却反应堆。

美国有 104 座核反应堆在 31 个州的 65 个地点运行，这些反应堆都是在 1980 年之前获得批准的。该系统的一个主要特点是位于安全壳正上方的 80 万加仑水箱。水箱的阀门依靠电力保持关闭。断电时，阀门打开，水流向安全壳。通风口被动地从外部吸入空气并将其引导到结构上方，进一步促进蒸发冷却。

根据紧急情况的类型，可以手动释放安全壳内的附加水库以淹没反应堆。随着水沸腾，它会上升并在安全壳顶部凝结，然后流回下方再次冷却反应堆。与当今的核电站不同，大多数核电站的现场备用电源足以在电网断电后维持四到八小时，而 AP1000 可以在没有电力或人工干预的情况下安全运行至少三天。

尽管第三代以上核电站在安全性方面有了显著的改进，但从理论上讲，它们还是有可能熔毁。核工业界的一些人呼吁采用更新的反应堆设计，统称为第四代反应堆。钍驱动的熔盐反应堆 (MSR) 就是这样一种设计。在熔盐反应堆中，液态钍将取代当今核电站使用的固态铀燃料，这一变化将使熔毁几乎不可能发生。

熔盐反应堆由田纳西州橡树岭国家实验室于 20 世纪 60 年代初开发，在 1965 年至 1969 年间共运行了 22,000 小时。“这些不是理论上的反应堆或思想实验，”非营利性钍能源联盟负责人、工程师约翰·库奇 (John Kutsch) 说。“[工程师] 真的建造了它们，它们也真的运行了。”在当今流传的少数第四代反应堆设计中，只有熔盐反应堆在计算机模型之外得到了验证。“它不是一个完整的系统，但它表明你可以成功设计和运行熔盐反应堆，”橡树岭物理学家、实验室核技术项目办公室高级项目经理杰西·格欣 (Jess Gehin) 说。

一磅钍产生的电能相当于 300 磅铀或 350 万磅煤。熔盐反应堆的设计有两个主要的安全优势。其液体燃料的压力比轻水电厂的固体燃料低得多。这大大降低了发生事故的可能性，例如福岛发生的氢气爆炸。此外，如果发生断电，反应堆内的冷冻盐塞会融化，液体燃料会被动地排入储罐，在那里凝固，从而停止裂变反应。“熔盐反应堆是安全的，”库奇说。“如果你把它扔掉，它就没有电了，世界末日来了——一颗彗星撞击地球——它会自己冷却下来并凝固。”

尽管熔盐反应堆也能使用铀或钚，但使用放射性较低的元素钍，并加入少量钚或铀作为催化剂，既具有经济优势，又具有安全优势。钍的储量是铀的四倍，而且更容易开采，部分原因是它的放射性较低。美国国内的钍供应量可以满足数百年的电力需求。钍的效率也比铀高出许多倍。“在传统反应堆中，铀的燃烧量只有半个百分点到 3% 左右，”库奇说，“而在熔盐反应堆中，钍的燃烧量高达 99%。”结果是：一磅钍产生的能量相当于 300 磅铀或 350 万磅煤产生的能量。

由于效率高，钍 MSR 产生的废物将比现在的工厂少得多。铀基废物将在数万年内保持危险性。钍基废物的危险性则可能只有几百年。此外，原始钍本身不可裂变，因此不易制成武器。“它不能用作炸弹，”库奇说。“即使你在地下室放了 1,000 磅，也不会发生任何事情。”

一座核电站提供的能量相当于 1,200 台风力发电机或 20 平方英里的太阳能电池板。由于不需要大型冷却塔，MSR 比典型的轻水电站小得多，无论是物理尺寸还是发电量。如今，核电站的平均发电量约为 1,000 兆瓦。以钍为燃料的 MSR 发电量可能只有 50 兆瓦。规模更小、数量更多的核电站可以减少传输损耗（在目前的电网中，传输损耗可能高达 30%）。库奇说，美国陆军有意使用 MSR 为各个基地供电，而依赖稳定电力来维持服务器运行的谷歌去年召开了一场关于钍反应堆的会议。库奇说：“该公司希望在数据中心旁边建一座 70 或 80 兆瓦的反应堆。”

即使有军方和企业的支持，向新型核能发电的过渡也可能很缓慢，至少在美国是如此。轻水反应堆已经建立，而且没有法规来管理其他反应堆设计。在美国以外，过渡可能会来得更快。今年 1 月，中国政府启动了钍反应堆计划。“中国科学院已批准开发 MSR，部署时间相对较短——可能为 10 年，”Gehin 说，他认为中国的决定可能会增加全球对该技术的研究。即使在福岛核事故之后，“人们仍然对先进核能感兴趣，”他说。“我认为这种情况不会改变。”