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微型核装置:从未来概念到地下室的“家庭核电站”

`清洁能源网   2011 年 08 月 11 日 16:12   来源:《新能源》杂志

  

  在电影《钢铁侠》中,钢铁侠胸口的微型核反应装置提供了强大的能源支持。

  钢铁侠的心脏,是利用冷核聚变的核电站。虽然现实中冷核聚变技术不够成熟,但是像钢铁侠心脏这样的核装置微型化,成为中美日俄四国竞相研究的方向,再加上知名企业谷歌、    东芝和知名慈善人物比尔盖茨等人的推动,我们正一步步迎接微型核装置的时代。

  科学家认为,在可预计的未来,微型核电池将被广泛使用到小型和微型电子系统,比如说用于分析血样的微型电子仪里。因核电池提供电能的时间非常长,到那时,只需要一个硬币大小的电池,就可以让我们的手机5000年不用充电。另外,像正在流行的电动车的电池,也有望实现让人至少一辈子不用充电的梦想。还有,未来可能家家户户有一个冰箱大小的家庭用核电站,就保证这个家庭(家族)数十年甚至数百年的能源供应。至于核电池是否会出现核污染问题,科学家指出,这个问题早在发明它的时候就同时解决了,人们不必为此担忧。

  从核飞机到核坦克

  战争,是研发先进技术的第一大动力。

  火药,是南宋保家卫国和扩张领土的武器;计算机,是美国军方研发出来的,由IBM推动的民用,那都是几十年后的事情。同样,核装置小型化,也是美苏争霸的冷战推动的。

  冷战初期,美国和苏联为了取得军事上相对于对方的压倒性优势,曾经制订过一系列疯狂的武器研制计划,核动力飞机堪称“疯狂中的疯狂”。

  美国军方的核动力飞机--“飞机核能推进计划”(NEPA)开始于1946年。1951年,核动力飞机开始投入真正的研制。

  美国人改装了两架当时世界上最大的轰炸机B-36H轰炸机,以容纳核反应堆动力装置。他们命名为NB-36H的型号,作为专门的飞行试验平台。NB-36H搭载试验反应堆在1955至1957年间共完成了47次飞行,最终于1957年末在沃斯堡基地安然退役。

  1955年8月,苏联启动代号图-119的计划,也就是在图-95战略轰炸机上使用苏联自己的VVR-C核反应堆。采用4台核发动机,为了减轻核辐射对机组人员的影响,发动机分成上下两层,并排安装在飞机尾部的隔离舱里。导弹和炸弹则直接安装在悬挂架上,部署在机舱内部。其设计复杂程度远远高于NB-36H。

  凭借诸多成熟部件,许多人都认为这架图-119肯定会成为苏联乃至世界上第一架核动力飞机。1962年,苏联第一架核动力飞行平台图-119试飞成功,这架核动力飞机一共进行了60多次的飞行试验。

  NB-36H和图-119后来被叫停,确实存在着无法解决核辐射防护的问题,但更主要的是,当时美苏已经研发出了洲际弹道导弹,以核打击为目的核动力飞机就显得多余了,于是先后放弃了测试项目。

  美苏的尝试,在专家的眼里,却是非常有价值的。英国科学家正在呼吁政府实施一个规模庞大的研究计划--研制核动力客机,用以帮助航空业从矿物燃料向核燃料转变。

  波尔教授表示:“我们需要一种不是由煤油驱动的飞机设计。我认为核动力飞机在2050年以后将会是答案。这一概念在50年前便已得到证明,但我想我们可能需要用30年才能说服公众相信把核动力飞机作为交通工具的必要性。”

  核装置小型化本身没有什么问题,在叫停核动力飞机的十几年来,美国军方没有没有停下反应堆小型化的尝试。他们野心勃勃的试验对象,是要做核动力坦克。

  在开始时,美国陆军考虑为装甲车辆提供动力,研究开发一种装甲平台来搭载一个小型核电站,从而为整支部队的车辆输送能源。后来他们研制单独的核动力坦克,第一辆TV-1核动力坦克,重量达到70吨。

  1955年,克莱斯勒公司提出了一个非比寻常的独立方案,这个方案就是TV-8核动力坦克计划。这个坦克方案的令人惊奇之处在于它把乘员组、武器、动力系统全部安置在一个豆荚形的炮塔里,炮塔下面是一个轻型底盘。该坦克的总重量大概是25吨,其中炮塔有15吨。

  1969年,美国研究人员成功地解决了反应堆辐射屏蔽、小型化、强大的炮弹、寿命长的履带等系列问题。1970年,美国人生产出了世界第一艘核动力坦克。

  冰箱大的反应堆  够2万人用10年

  虽然核动力飞机折翅了,但各国军方对于反应堆小型化的研究从未停止过。

  自1954年美国舡鱼号潜艇(USS Nautilus)投入使用时,小型核反应堆就已经用于美国核潜艇了。俄罗斯原子能公司Rosatom集团也基于自身核潜艇、破冰船上的经验,开发钻井浮船上的原子能发电厂。

  海珀龙电力公司(Hyperion Power Generation)的微型核发电技术由美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室(LosAlamos National Laboratory)发明研制。在这个美国最为重要的核实验室里,还有六个小型核反应堆的设计,目前处于信息共享阶段,包括NuScale能源公司,以及东芝西屋公司。

  2008年,海珀龙首席执行官John R. Grizz Deal在第52届国际原子能机构(IAEA)大会上首次对外介绍其公司独一无二的小型核电模块(HPM)。

  HPM具有安全和防扩散的特点,使用的是低浓铀燃料。工作寿命5年至10年,每组HPM与汽轮机连接后可产生70 MWt(27 MW)的电力,足够2万户一般美国家庭或相同数量的工业用户使用。分布于全球不同地区的三家工厂计划生产4000组首款HPM。

  海珀龙的核反应堆重约15吨,高约2米,大小如一座小房子。与目前已有的商业核电站比较体积,加拿大的重水堆比它大48倍,法国法玛通的压水堆比它大64倍。

  2年以后,海珀龙的核反应堆更小了,只有一个冰箱那么大。迪尔表示:“核电行业还在使用传统大型主机,而我们早已开始制造‘苹果手机了’。”

  “一个微型25兆瓦核反应堆即可满足2万户家庭用电需求,而且微型核电机就可以放置在房间里。这是一个很棒的微电网解决方案,”詹姆斯?库尔哈斯(James·Kohlhaas)表示。他是美国洛克希德?马丁公司(Lockheed Martin Corp.)为偏远军事基地建设电力系统的部门的副主席。

  与这些大型核电站相比,微型核反应堆的优势在于它无需巨大的混泥土密闭建筑、冷却塔以及电力传输设施,而且不需要水进行冷却。因此,核电池在比较偏僻的地方,如军事基地、岛屿、油砂开采等有较广阔的应用前景。目前该公司已经拿到100台装置的意向订单,已确定的订单价值200亿美元。

  微型核电价格优势。公用规模的核反应堆单价可达23亿美元,发电功率达1200兆瓦;而海珀龙电力公司的微型核反应堆每个造价仅3千万美元,发电功率为25兆瓦,相当于一台柴油发电机或风力涡轮机的发电功率。

  据微型核电开发商表示,微型核反应堆将安置在封闭的盒子中,24小时连续运转,可用卡车运输,较化石燃料发电厂相比,维护费用更少。世界核能协会的数据也显示,微型核反应堆比大型全尺寸原子反应堆,平均每兆瓦发电功率所需费用减少15%。

  放在地下室的“家用核电厂”

  东芝公司的核反应堆,比海珀龙更贴近家庭用户。

  日本和美国的科学家早在2001年就开始对“家用核反应堆”进行试验。起初,设计者是打算将来人类移居月球之后,将它用来为月球居民提供电力。但后来,却发现它在民用方面也大有用武之地。

  东芝率先进行民用的试验。2007年的时候,东芝研制出一种“家用核反应堆”,让普通家庭也能用它来发电,拥有自己的“核电厂”。

  东芝公司计划在日本率先安装一台“家用核反应堆”,而如果一切顺利,美国也会在后年引进这一装置。一台能使用40年这种“家用核反应堆”正式名称叫做“微型核反应堆”,实际上是一种微型的核能发电站,原理也和正常核反应堆基本一样。但是它的高度只有6米,直径为1.8米,大小仅相当于通常核电厂中核反应堆的1%。

  据悉,一台“家用核反应堆”投入使用后,整套设备将会持续运行40年,每小时可以提供200千瓦电能,足够满足普通家庭日常生活需要。而且它具有自动防故障保护装置,完全自动运行,一旦超过设定温度,它就会自动停止工作。每度电成本5美分由于“家用核反应堆”是全自动的,其发电所需的费用大概每度电只有5美分,既节能又环保。

  一旦“家用核反应堆”得到普及,几乎相当于将来家家户户都拥有了一个属于自己的“核电厂”。由于体积小巧,它可以安装在地下室或者公寓大楼内。但为了防止万一核原料泄漏,“家用核反应堆”将必须安装在有厚水泥墙隔离的建筑内。

  核电池的玩家更多

  核电池又叫“放射性同位素电池”,它是通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线的热能转变为电能而制造而成。核电池已成功地用作航天器的电源、心脏起搏器电源和一些特殊军事用途。

  核电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器,它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差,从而发电。它的优点是可以做得很小,只是效率颇低,目前热利用率只有10%~20%,大部分热能被浪费掉。第一个放射性同位素电池是在1959年1月16日由美国人制成的,它重1800克,在280天内可发出11.6度电。

  小型核电池过去在电池的研发过程中面临的重大难关之一,就是为了提高性能,电池大小往往比产品本身还大。比如,核子秤、放射性医疗设备等所用放射源核材料纯重量只有微克级,直接输出功率(这没有效率问题或者说效率是100%)折算下来远远无法驱动一台收音机,但需要的屏蔽罩是壁厚达10CM左右的铅罐,重量是数十公斤。

  美国教授权载完,很大程度上解决了这一问题。2009年10月10日, 由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完(音)率领的研究组成功为“核电池”瘦身,研发出的“核电池”体积小但电力强。但权载完教授组研发出的核电池只是略大于1美分硬币(直径1.95厘米,厚1.55毫米),但电力是普通化学电池的100万倍。密苏里大学研究团队称他们研制小型核电池的目的是,为微型机电系统或者纳米级机电系统找到合适的能量来源。如何为微型或纳米级机电系统找到足够小的能量来源装置,同微型装置一样是一个热门研究领域。

  核电池的另一诱人之处是,提供电能的同位素工作时间非常长,甚至可能达到5000年。设想不久的将来,只需要一个硬币大小的电池,就可以让你的手机不充电使用5000年。

  由美国空军实验室提供财政支持的一项研发项目,正在试图打造出一款能让笔记本电脑持续运行30年的核能电池。

  用核电池作海底潜艇导航信标,能保证航标每隔几秒钟闪光一次,几十年内可以不换电池。人们还将核电池用作水下监听器的电源,用来监听敌方潜水艇的活动。

  还有的将核电池用作海底电缆的中继站电源,它既能耐五六千米深海的高压,安全可靠地工作,又少花费成本,令人十分称心。

  在医学上,放射性同位素电池已用于心脏起搏器和人工心脏。它们的能源要求精细可靠,以便能放入患者胸腔内长期使用。现在可好了,眼下植入人体内的微型核电池以钽铂合金作外壳,内装150毫克钚238,整个电池只有 160克重,体积仅 18立方毫米。它可以连续使用10年以上。

  微型的机器人进入到人体内进行肠道的清洗,属于MEMS(微机电系统),是目前各个国家开发的主要方向。

  比尔盖茨、谷歌先行一步

  实际上,中国人在核动力微型化上耽误了太多时间。1972年有人做过核电池,这个核电池在实验室里做出来的,在那个文化大革命的年代,唯一的验证指标,就是用半导体连续唱了三个月。

  核电池极其贵重,而且使用钚-238的核电池我国还不能生产。十几年前,我国从俄罗斯买过一枚核电池,大小相当于2#干电池,输出功率500mW,可以连续输出200多年,当时买来的价格折合3000万元人民币。科学家在严密的防护下打开它,结构看起来很简单,但是研究了几年也没有结果,不知道怎么做出来的。

  利用放射性元素衰变发出电子,此而制造电势差形成电流,这样的门槛不高,中国人倒是有了一些机会。打开国家专利局网站查询一下,有十几个这样的发明专利。

  2010年12月,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所GaN核电池研究取得新进展。相对于常规的窄带半导体核电池(如Si、GaAs等),GaN贝塔伏特效应核电池具有更高的输出功率和转换效率优势,是新一代新型核电池的后起之秀。该电池采用30微居的Ni-63同位素作为能量源,开路电压为0.1V,转换效率为0.32%,电荷收集效率为29%。

  恒和动力,是一家做心脏起搏器的同位素电池公司。他们自认为转化效率在国际尚属于领先水平,但是他们的心脏起搏器电池一个卖5万,国际上同类产品卖18万。这家来自武汉的公司,今年计划卖出20个起搏器电池。

  在能源紧缺的未来,小型核能发电装置可能成为未来能源的主角。目前,福特、谷歌、东芝甚至是比尔盖茨,都率先投入到小型核能发电装置的研究和实践中。

  1957年,福特推出了这样的一款空前绝后的核动力概念车Nucleon。前几年,凯迪拉克推出了核能概念车WTF。不过核能汽车很有可能重新变成现实。近日,美国投资银行JP Morgan的一名资深分析师表示来自于氢同位素的核能将有望成为未来汽车的主流动力,有一些石油企业也对此表现出了浓厚的兴趣。

  美国西屋公司早于1999年就开始开发小型核反应堆,日本东芝集团正在设计功率为10兆和50兆的“4S”核反应堆(即超级-安全-微小-简单)。目前阿拉斯加州中部的加利纳村(Galena)进行测试。这一微型核电项目与微软创立者比尔?盖茨控股的Terra电力公司也有一定联系。2009年11月,东芝与Terra电力签订协议,同意交换微型核电设计和工程技术。

  2010年4月,谷歌收购了一家拥有新浓缩技术的公司,他们已开始开发和设计小型移动高效核能发电机。

  核动力不是新鲜事,核动力微型化也不是什么新鲜事。相比同位素电池来说,核电站微型化更值得期待。谷歌、福特、东芝、比尔盖茨们先行一步,给我们提了个醒,我们国家和我们有前瞻性、有历史责任感的企业,应该奋起直追,在未来的核电站微型化上占据一定的领地。

> 关键词:微型核装置  核电站    




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