據(jù)報道，盡管核電仍有爭議，但新反應堆的建造數(shù)量令人驚訝，它們將提供世界上第二大份額的無碳能源。隨著新技術的投入使用，這個行業(yè)也在經(jīng)歷著快速的變化。那么，在未來的幾十年里，核電會是什么樣子？

1942年12月2日，在芝加哥大學的Stagg Field足球場下面，芝加哥一號堆（Chicago Pile-1）被激活，成為世界上第一個（可控）核反應堆。78年后的今天，440個反應堆的發(fā)電量占世界總發(fā)電量的10%以上，目前還有50個反應堆正在建設中。

盡管如此，核能還是遭受了非常糟糕的聲譽。像生活中的許多事情一樣，這是由一些復雜的因素造成的。核能對許多人來說仍然是一個神秘的東西。它與核武器聯(lián)系在一起，并且仍然處于幾十年的冷戰(zhàn)宣傳以及在美國、蘇聯(lián)和日本發(fā)生的三起極其引人注目的反應堆事故的負擔之下。

在西方，反應堆的建設和發(fā)展在20世紀的最后幾十年里放慢了腳步，但這個行業(yè)可能正處于復興的邊緣。盡管聲譽不佳，核能有許多優(yōu)勢。它不僅是無碳的，而且是無排放的。它以非常小的面積產(chǎn)生巨大的能量。它可以在任何地區(qū)選址。而且，令人驚訝的是，它的每千瓦死亡率是所有能源中最低的。

核電的成本

然而，核能有一個大問題，那就是成本。由于工廠的成本高達150億美元，建造一個反應堆很少有利潤。相反，建設者的大部分收入來自于反應堆的加注燃料和服務。

建造核電站成本高的主要原因不是因為它們是核電站，而是因為它們是大型的、通常是一次性的土木工程項目，數(shù)量很少，而且可能需要長達20年才能上線。核電站不是在工廠大規(guī)模生產(chǎn)，而是在現(xiàn)場建造。它們還需要一個復雜的許可過程，工廠的設計要在一套獨特的質量、安全和安保要求下進行測試、修改和重新測試，并且要求運營商支付所有廢物處理費用。

所有這些不僅會導致成本超支，所花費的時間也意味著隨著工程師的衰老和退休，有很多機會失去經(jīng)驗。這導致了一些奇怪的現(xiàn)象，比如英國，它是核能的先驅之一，不得不去國外尋求幫助來建造該國的最新反應堆。

有一些降低成本的方法，包括使用標準化設計，建造足夠多的工廠以保留技能和經(jīng)驗，采用各種管理精簡措施，以及最重要的，通過攻擊最大的建筑成本。核反應堆在這些先進系統(tǒng)的成本中并不占主導地位，相反，是土建工程、結構和建筑；電氣設備安裝；以及現(xiàn)場這項工作的其他間接成本。

正因為如此，核工業(yè)正在尋求新的反應堆設計，其中一些已經(jīng)開發(fā)了幾十年，不僅要降低建設和運營成本，而且要提高安全性和效率，同時減少核武器擴散的風險。

未來的反應堆設計

今天，核工業(yè)正處于第三代或第三代+。第一代的標志是20世紀40年代末、50年代和60年代初的原型反應堆，第二代的標志是20世紀60年代中期至20世紀90年代中期的第一批商業(yè)輕水反應堆。隨后是第三代，也是輕水反應堆，但包括新技術，如更可靠的燃料、被動冷卻系統(tǒng)，以及不易發(fā)生故障的反應堆芯。第三代+，將被建造到2030年代，是最新的反應堆，是第三代設計的額外改進。

接下來將是第四代，這是一個更加先進和多樣化的設計系列，旨在通過采用新的反應堆技術，以及新材料和新的制造技術，使核電站不僅成本更低，而且本質上更加安全。

基本上，這些第四代反應堆的特點是其冷卻劑，可以是水、氦、液態(tài)金屬或熔鹽。它們還根據(jù)其在中子譜中的運行位置進行區(qū)分。也就是說，是在熱中子譜還是在快中子譜中。在后者中，導致裂變的中子是由核反應產(chǎn)生的，沒有被減緩，因此反應堆在非常高的中子能量下運行，而在前者中，反應堆使用慢化劑來減緩反應，這發(fā)生在較低的中子能量下。

New Atlas列出了一些第四代反應堆。這不是一個詳盡的清單，但它確實包括了可能在21世紀中期出現(xiàn)的主要競爭者。

小型模塊化反應堆（SMR）

小型模塊化反應堆（SMR）是輕水反應堆，基本上是今天使用的反應堆的先進版本，只是它們更小，可以像汽車一樣大規(guī)模生產(chǎn)。這些反應堆旨在通過引入工廠制造技術來降低核能的成本。從本質上講，這個想法是為了創(chuàng)造小型、標準化的反應堆，每個反應堆的容量小于300MWe。

與傳統(tǒng)反應堆不同，SMR不是大型的土木工程項目，可能需要20年才能上線，再花20年才能實現(xiàn)盈利。相反，正如其名稱所暗示的，SMRs是基于一個更小、更簡單的設計，不僅由反應堆的模塊組成，而且還包括大部分的支持部件。

這使得發(fā)電廠可以在工廠或船廠作為堅固的模塊建造，然后運到現(xiàn)場進行組裝。目標是不僅降低成本，而且從根本上加快電廠建設和認證，以開始運行。

SMR的另一個優(yōu)勢是工廠的配置可以滿足不同客戶的需求。小的、相對孤立的社區(qū)可以訂購單反應堆電廠，例如，可以為幾千個家庭和企業(yè)提供服務，而大城市可以有多個反應堆的電廠，可以為數(shù)百萬人提供電力。由于它們很小，SMR可以用于專門的應用，如石油勘探或為軍事基地服務。此外，模塊可以被設計成以最合適的方式運輸，包括通過駁船、船舶、卡車、火車，甚至飛艇。

SMRs也因包含了被動安全系統(tǒng)而引人注目，這些系統(tǒng)只需要很少或不需要電力來運行，并在事故發(fā)生時提供冷卻。它們也更容易屏蔽，而不需要大規(guī)模的混凝土結構，因為它們可以很容易地安裝在地下或船舶或海上平臺上，它們位于水線以下，這與潛艇上的反應堆的屏蔽方式相同。

高溫氣冷反應堆（HTGR)

高溫氣冷反應堆（TGR）是一種石墨調節(jié)的氦氣冷卻反應堆，其工作溫度是傳統(tǒng)反應堆的兩到三倍，但功率密度較低。這一概念自20世紀40年代以來一直在發(fā)展，但只是在最近幾年，該技術才開始成熟。

HTGR的基礎是它在TRi-structural ISOtropic（TRISO）粒子燃料上運行。TSRIO燃料不是形成棒狀，而是由罌粟籽大小的顆粒組成，由鈾、碳和氧組成，密封在三層碳或陶瓷材料中，以容納核廢料。

這些顆粒被形成為圓柱形的小球或被稱為“卵石”的臺球大小的球體。這使得燃料非常堅固。它比傳統(tǒng)燃料更耐中子輻照、腐蝕、氧化和高溫。這意味著“卵石”不會在反應堆中融化，而反應堆可以在更高的溫度下運行。此外，“卵石”可以在反應堆中緩慢循環(huán)，廢“卵石”從反應堆底部移走，而新“卵石”則在頂部被引入以取代它們。

氣冷快中子反應堆（GFR）

氣冷快中子反應堆（GFR）也是由氦氣冷卻的，但運行的功率密度比HTGR高。它們最初是作為增殖反應堆開發(fā)的，通過使用快中子而不是傳統(tǒng)反應堆產(chǎn)生的慢中子，將釷或不裂變鈾同位素轉化為钚或裂變鈾同位素，從而產(chǎn)生比燃燒更多的燃料。

GFR的高級版本使用由陶瓷一碳化鈾燃料制成的核心，使其能夠在高溫下運行。燃料也被配置成每一體積的燃料有高密度的鈾原子。

鈉冷快中子反應堆（SFR）

另一個快速反應堆是鈉冷快中子反應堆（SFR），它是由液態(tài)鈉冷卻的，具有非常好的散熱能力。這些都是小型反應堆，因為這允許固有的和被動的安全功能，而這些功能在大型鈉反應堆中并不能很好地發(fā)揮作用。在美國，使用的燃料是包在鋼中的鈾和鋯的金屬合金，而在俄羅斯、法國和日本，傾向于使用氧化鈾燃料。這些燃料的熱密度低，所以如果反應堆堆芯太熱，它會膨脹，導致核反應自然減弱。

堆芯也非常緊湊，因為SFR有一個封閉的燃料循環(huán)。也就是說，作為核反應的一部分，鈾和钚在堆芯內被回收，使反應堆在兩次燃料補充之間可以運行幾十年。

鉛冷快中子反應堆（LFR）

鉛冷快中子反應堆（LFR）是基于為俄羅斯核潛艇開發(fā)的反應堆設計，正如其名稱所示，使用鉛作為其冷卻元件。最新的版本在氮化鈾而不是二氧化鈾上運行。與鈉一樣，鉛提供了一個類似的被動安全系統(tǒng)，在核反應開始失控時自動進行調節(jié)。

氟鹽冷卻高溫堆(FHR)

氟化物冷卻高溫反應堆（FHR）是由氟化鋰和氟化鈹鹽的熔融混合物而不是氦氣冷卻的高溫反應堆。這些反應堆的功率密度是使用TRISO-粒子燃料技術的高溫反應堆的10倍。與氦氣冷卻的反應堆相比，氟化鹽允許反應堆在較低的溫度下運行，未來的設計將使用“卵石”燃料。

熔鹽反應堆（MSR）

在熔鹽反應堆（MSR）中，熔鹽既是冷卻劑又是燃料。燃料不是被制成棒狀、球狀或卵石狀，而是被混合到氟化鹽中，流經(jīng)石墨或類似的慢速中子生成器并控制反應。

MSRs可以在更高的溫度下運行，盡管這帶來了腐蝕問題，所以設計傾向于更冷的版本。然而，通過結合冷卻劑和燃料，清除廢物和引入新燃料比傳統(tǒng)反應堆要容易得多。

第四代以后

隨著對無碳能源的需求增長，導致更多的核電站在世界各地建造，我們將看到這些第四代反應堆上線。由于它們被設計為更便宜和更快地建造，它們很可能很快變得非常普遍。但是第四代之后會是什么？第五代將是什么樣的？

在許多方面，它們將是第四代反應堆的更先進版本，建立在上一代的經(jīng)驗教訓上，但我們也可能看到新的核電站用于新的利基應用。研究人員已經(jīng)有計劃建造在月球上使用的小型反應堆，并且正在進行技術研究，比如像蠟燭一樣燃燒的核燃料，反應從一端開始，隨著逐漸吞噬燃料而轉移到另一端。

我們還可能看到對核反應堆設計的其他方法的重新審視，這些方法是基于幾十年前的實驗，但由于更有前途的解決方案而被放棄。其中一些被徹底放棄了，甚至該領域的專家對它們也只有模糊的了解。現(xiàn)在，它們又被重新審視。也許有一天，"核燃料"一詞不僅意味著鈾和钚，還意味著像釷這樣不太為人所知的材料。