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车载式核反应堆,给核能汽车带来曙光?想多了!给美军基地供能的

 

美国人对核能汽车有多么痴心?

新能源汽车什么都好,就是充电太耗时间。有人就想了,能不能把核能应用到汽车上,这样汽车终生不用充电,彻底变成一次性产品。

这可不是异想天开,也不是突发奇想,而是老生常谈。因为早在50年前,就有科学家提出来,甚至有先驱者已经尝试过付诸实践。

核能汽车的优点,至少有三点:

1.不用充电,不用加油。只要你愿意,在汽车生命周期里,可以实现无限续航。

2.不排放尾气,没有环境污染。这在碳减排的今天,尤其显得珍贵。

3.动力输出强劲。不管是大型卡车,还是小型跑车,都需要强大的动力。而核能提供的动力,是传统燃油不可相比的。

20世纪50年代,正处于核能和平利用的初期,人类颇具雄心壮志,各行各业都对核能抱有期望,希望万事万物皆可核能。

美国人首先提出核能汽车、卡车、坦克的概念;核反应堆装上了破冰船、潜水艇;还有人提出了核动力火箭、核动力飞机。

1957年,福特造出第一辆核动力概念车Nucleon。据说,一次加料,可行驶9000公里。

法国人更加积极,他们甚至研制出了原型车,并且上了日内瓦车展。大有今天下单,明天提车的势头。

奥迪更是推出了核动力跑车的概念,准备走上时尚高端路线。

直到2009年,凯迪拉克还念念不忘核能汽车。推出一款核能概念跑车World Thorium Fuel,缩写WTF,使用钍元素作为核燃料,号称一次加料可以开上100年。所有零部件在不用维护的情况下,均可以使用100年,其中也包括核燃料。也就是说,这是一辆永远不需要加油、充电的车。不过,最后也只停留在概念阶段。

如此种种,都成了曾经吹过的牛。虽然抱负远大,但是现实打脸。

为什么研制失败了?

核能释放有三种方式,核聚变、核裂变、核衰变。目前真正实现商业化应用的,只有核裂变和核衰变。

核衰变相比于核裂变来说,功率太低。

核衰变供能的原理:放射性元素在衰变过程中会持续发热,温度达到几百摄氏度,半衰期能达到几十年,也就是说:它会持续发热几十年。通过热-电二极管,把热转化成电,这就是核电池了。

核电池的功率不会太高——不管你怎么倒腾,天花板就在那里。因为它本身的热功率就不高,再加上热-电转换还要损失一多半能量(转化效率只有10%-20%)。

最后的电功率仅100多瓦,连一个500-600瓦的微波炉也带不动。

因为功率不高,所以核电池一般安放在航天器,或其它的功率要求不高但是需要长久耗电的探测器上。

核裂变的功率当然是足够的,但是体积又太大。

要想把一座核反应堆装在汽车发动机的位置,在现有的工程技术条件下,是不可能做到的。上世纪五六十年代,更是不可能。

什么是「车载式微型核反应堆」?

既然核能汽车的路走不通,那就换条路,研制「车载式微型核反应堆」。

1954年,美国陆军启动了一项名为「陆军移动式核电计划」的项目,资助研发「移动式小型核电站」。依托此项目,美国一共建造并运营了多座小型核反应堆,包括ML-1、SL-1、SM-1A、PM-2A、PM-3A等。

不过这些型号,要么是技术指标不达标,要么是安全性不过关。

1961年-1965年之间,建造运营的第一款「车载式微型核反应堆」ML-1,挂在一辆卡车后面,可以运到各个地方。不依赖水源,采用氮气冷却剂,出口温度达到648℃,设计热动力3.3兆瓦,电功率0.4兆瓦。然而实际电功率只有0.14兆瓦,寿命也只有几百个小时。

另一款SL-1反应堆更不靠谱,在操作过程中,中央控制棒出现故障,导致堆芯熔化,造成人员伤亡。

后来的研究实验证明,在当时的技术条件下,根本不可能开发出满足条件的产品。研究从此被搁置。

2016年的时候,美国国防部打算重新考虑「车载式微型核反应堆」的研制。当时市面上比较看好的两个「车载式微型核反应堆」概念。一个是LANL实验室设计的微堆MegaPower;另一个是Filippone and Associates LLC设计的Holos气冷微堆。

到那时,核反应堆小型化已经成为新的趋势,各国都在研发自己的小型核反应堆。比如日本三菱重工的「车载式微型核反应堆」,采用模块化设计,核反应堆和发电机机组为两个模块,分开运输。核反应堆的大小,直径3米,长约4米,重量在40吨以内。预计在2030年部署。

「车载式微型核反应堆」与我们常见的「小型模块化反应堆(SMR)」有什么不同呢?

1.用途不同:「小型模块化核反应堆」适合于商用;而「车载式微型核反应堆」的更大价值在于军用。

2.输出功率不同:「小型模块化核反应堆」的功率一般在50到200兆瓦之间;「车载式微型核反应堆」的功率则在1到10兆瓦之间。

2019年的时候,美国国防部把微型核反应堆的设计合同给了BWXT、西屋、X-energy三家公司,分别资助它们1350万美元、1195万美元、1431万美元,用于「车载式微型核反应堆」的设计。

  • 西屋公司设计的微堆eVinciTM,属于热管冷却反应堆。
  • X-energy公司设计的微堆Xe-Mobile,属于高温气冷堆。
  • BWXT公司一直是美国海军核动力系统的提供商,具体研制型号未公布。

2021年3月24日,美国BWXT公司和X-energy公司获得了美国国防部原型堆研究合同,以及资金支持。而西屋公司,则落选了。

2022年6月9日,BWXT公司宣布,五角大楼最后给了它们原型堆建造合同,并且授予了3亿美元的原型堆建造资金。

美国国防部给这个项目取名叫“Pele”。

该原型堆,采用第四代核电技术。第四代核电技术的固有安全性,非常适合于「车载式微型核反应堆」的需求。原型堆一旦实验成功,便会大规模建造。

「车载式微型核反应堆」的设计指标:功率在1-5兆瓦之间;满功率运行时长:3年以上;部署时间:3天以内,撤离时间:7天以内。

为什么美军这么热衷于「车载式微型核反应堆」?

俗话说:兵马未动,粮草先行。不管是古代战争,还是现代战争,不管是外国兵法、还是中国兵法,都不会忽略一点:后勤保障。打仗打的就是后勤。

随着新式武器的投入使用,比如电磁轨道炮、激光武器、作战机甲、战场机器人等等,电力需求很大。

美国军队的能源需求是迫切的。美军一天要用1000万加仑的燃油,一年需要30太瓦的电力。而且这消耗水平还是前些年的数据。现在、以及未来,美军计划广泛部署电子武器。按照美军的设想:各种穿戴移动设备,需要电力;大型定向武器、激光武器,需要电力......;电力将成为陆基、舰载、空基、天基武器的通用能源。

到那时,电力需求是一个天文数字。保守估计,将会是现在的10多倍。如此大的能源消耗,如果还靠化石能源,补给线将会垮掉。补给线压力过大,美国海外军事基地,就变得非常脆弱。

美国在全球有1245个军事基地(其中海外374个,国内871个)。表面上看,这些基地是“武力值”的体现。背后看不到的是,这些基地也是吞油巨兽,燃油保障工程极其庞大。现在美军的军事基地,一天至少消耗4300万升燃油。要把这么多的燃油运往世界各地的军事基地,请想一想,那得依靠多少辆卡车,多少长的管道?

其它国家的七寸是后勤保障,美军的七寸依然是。

为了保护好自己的七寸,美国把希望寄托在了核能上。毕竟1克铀释放的能量,等于2000公升石油释放的能量。

美国希望研制一种微型的、可以用卡车或飞机运输的核反应堆,能够运送到世界各地的美军基地。最重要的是,要保证绝对的安全,能够扛得住外部爆炸的袭击。这就是美国正在建造的「车载式微型核反应堆」原型堆。

「车载式微型核反应堆」一旦部署,后勤压力彻底得到释放,美军战斗力又将提升。所以美国才这么着急。

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