建造更安全、更清洁的核反应堆

2009 年的一天，莱斯利·德万和马克·马西在麻省理工学院的图书馆里翻阅旧文章。在那里，他们发现了核工业在半个世纪前就已放弃的两样东西。一是紧迫感：第一台快中子反应堆从 1945 年在餐巾纸上的草图，到仅 18 个月就实现了工作原型。另一个是所谓的熔盐反应堆。

20 世纪 60 年代，科学家们曾在田纳西州的橡树岭国家实验室运行过一台。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。这在德万和马西看来是荒谬的。他们了解到，熔盐反应堆比目前使用的反应堆更安全。它们燃烧液态铀燃料，而不是固态燃料，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，德万和马西想知道为什么世界没有使用它。他们知道，要击败廉价的煤炭和天然气，新反应堆必须更安全、更高效。于是，他们拂去了橡树岭设计的灰尘，开始了工作。

如今，他们的初创公司 Transatomic Power 正准备建造一台新型、性能更优的熔盐反应堆。他们的反应堆将燃烧高达 96% 的燃料，而轻水反应堆仅为 4%，每吨铀发电量将是其 75 倍。它几乎不会发生事故，并且可以使用其他反应堆的乏燃料运行。美国拥有近 80,000 吨放射性废物（每年还新增 2,000 吨），它可以将有毒物质转化为有用的东西。麻省理工学院核科学与工程系主任理查德·莱斯特说：“这正是莱斯利·德万和马克·马西与众不同之处。他们的设计解决了放射性废物问题，这是一个巨大的挑战。”

他们的反应堆每吨铀发电量将是其 75 倍

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 的投资方）的 200 万美元。德万和马西已将部分种子资金用于在马萨诸塞州剑桥市建立一个实验室，在那里，他们将在未来三年内，在核裂变产生的极端条件下测试其未来反应堆的材料。但他们建造实际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，美国希望在俄罗斯之前建立商业核能产业。美国海军已经在其潜艇上使用了轻水核能，这为扩展技术提供了便捷的蓝图。德万说，早期为了技术便利而商业化轻水反应堆的决定，“使美国和整个世界陷入了一种技术模式。”

目前美国所有 99 座商用反应堆都是轻水反应堆。这种统一性在出现问题时才会成为问题——然后整个核工业都会因此受到牵连。三哩岛和切尔诺贝利核事故使整整一代人远离核能。2011 年福岛第一核电站的事故又让另一代人却步，尽管核能是易于扩展、无碳、基荷发电。马西说：“核能出现故障时，往往会非常惨烈，并且会获得大量关注。”

当我参观他们在剑桥的办公室时，德万和马西在白板上写满了内容，展示他们的反应堆将有多么安全和高效。在轻水反应堆中，装满铀芯块的燃料棒浸没在水中，水减缓了中子的速度，引发铀的裂变并加热燃料棒。然后，热水驱动蒸汽轮机发电。该系统运行良好，但有两个问题。

第一个是裂变产物毒物，如氪和氙，会积聚在燃料棒中。这些气体消耗中子，最终会停止裂变反应。大约每四年就需要更换燃料棒，即使它们的能量有 96% 仍未被利用，这会使它们成为必须永久储存在安全地点的、高放射性的废物。另一个问题是反应堆需要持续电力来将冷水泵过堆芯，堆芯内装有燃料棒。这些水可以防止其过热。如果失去电力，就像在福岛一样，堆芯就会熔毁。

在熔盐反应堆中，铀盐作为燃料。当加热到 500°C 以上时，燃料盐从固态变为液态。它流过锆 hydride，后者会减缓其中子的速度并引发裂变，产生热量。由于没有燃料棒会困住氪和氙，它们会被持续地排出。德万说：“基本上，你可以将反应堆像慢炖锅一样煮几十年。这就是我们实现 96% 燃烧率的方法。我们可以将铀留在里面，并不断清除那些本会使其停止工作的毒物。”燃料盐通过一个由电冷冻盐块堵塞的冷冻塞组成的循环流动。如果反应堆失去电力，塞子就会融化，燃料就会排入一个冷却固化的罐子。

“基本上，你可以将反应堆像慢炖锅一样煮几十年。这就是我们实现 96% 燃烧率的方法。”

尽管熔盐反应堆的核物理学在 50 年前在橡树岭就已得到证实，但德万和马西需要对反应堆的材料进行严格测试。在他们剑桥办公室的街对面，德万给我看了一个实验室，他们将使用一个冰箱大小的熔炉，将可能用于反应堆管道、泵和阀门的金属和陶瓷暴露在盐和极端高温下。下一步，他们将设计和建造一个 20 兆瓦的示范反应堆，希望在 2020 年前投入运行。他们的最终目标是建造一个 520 兆瓦的商业反应堆，他们说其建造成本为 17 亿美元——仅为轻水反应堆成本的一半。尽管经济效益可观，美国核能监管委员会并未专注于审批先进反应堆。莱斯特说：“没有监管框架允许开发商说，‘我们需要这个来获得批准。’”反过来，这会阻碍投资。“投资者希望看到监管途径，”莱斯特说。因此，比尔·盖茨的 TerraPower 等公司，这家公司开发了下一代行波核反应堆，正寻求在国外建造。巨大的能源需求和污染问题促使中国调查各种类型的反应堆——熔盐反应堆、钠冷快堆和高温堆。中国计划在未来十年建造 45 座反应堆，可能会同时部署多种型号。

对德万来说，将他们的技术送往中国将是一个错失的机会。她说，如果美国想再次在清洁、安全的核能领域领先世界，就迫切需要扩大监管范围。但煤炭和天然气行业将核能视为对其利润的威胁，一些环保组织也认为核能始终存在风险，这些都带来了阻力。但德万毫不动摇。她不想在中国建造熔盐反应堆。她希望 Transatomic 的业务保留在美国，因为核能的承诺就诞生于此。她说：“这是美国的技术。这是美国工程师。我们希望这个国家首先从中受益。”