军用小型核电站

黄陈子亨

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在斯蒂芬伯格早期的成名电影中，有一个电影如今已经不大为人所想起：《回到未来》。电影里的疯狂博士发明了时间机器，冒失的毛头小伙在逃避恐怖分子追杀的时候，意外地回到了父母的豆蔻年华时代，引出一环套一环的喜剧。毛头小伙的时间机器汽车是核动力的。在50年代，核动力似乎是解决能源问题的灵丹妙药，无限航程的核潜艇可以在水下连续潜航几个月，核电站可以十年二十年不用换燃料，核动力的飞机甚至导弹似乎都不那么疯狂。人们对化石燃料的局限早就清楚，核电似乎是理想的未来能源，但三哩岛、切尔诺贝利和福岛核电站事故极大地增加了人们对核电的疑虑，80-90年代之后，核电进入低潮时代。不过核电有可能从一个意想不到的方向卷土重来。

在80年代，美军的前沿基地已经高度电气化，需要大量的电力供应。这在和平时代不成问题，但战争时代就不能依靠常规的电网供电。传统上，前沿基地自带柴油发电机，但这些中小型柴油发电机的发电量有限，耗油量大，依赖后勤的油料供应，面对日新月异的电力需求渐显吃力。冷战结束后，战时供电的可靠性问题淡化，但对于像伊拉克尤其是阿富汗这样偏远的战场，供电问题以另一个形式出现：这里根本没有像样的电网，美军前沿基地只有大量依靠柴油发电机。和80年代的欧洲战场相比，21世纪的阿富汗战场的电力需求更高。官兵帐篷的空调需要用电，巡逻时用的单兵无线电、GPS、夜视镜和其他单兵电子系统需要充电，官兵基本上人手一个的笔记本电脑、iPhone、iPod、PSP或者其他电子小零碎也需要充电。

在现代的师规模机械化作战中，每个士兵平均每天消耗80-120升油料，另外消耗45-90公斤的其他补给，其中主要是弹药，还有电池、食品等。在2003年第二次伊拉克战争中，美军第3师向巴格达挺进时，大约有2万兵力参加战斗。师后勤自带的油料够200-300公里作战，挺进路线大约700公里长。指挥官不能等到油料耗尽才补充，所以挺进的部队拖着一直延伸到科威特的补给车队。在机械化挺进结束后，驻地的供电要求使得补给车队依然很忙。阿富汗美军兵力不足，需要雇佣占总兵力20%的民职武装保安，部分原因就是因为无力为补给车队提供护送。阿富汗美军补给车队的2/3都是用于运载油料。尽管大量车队由民职武装保安护送，美军依然需要提供攻击直升机、无人机和其他情报和战斗支援。平均每50辆油料卡车运抵目的地就有一个美国大兵（或者民职武装保安）丧生。如果可以减少油料需求，大量的兵力资源就可以解放出来，用于作战。光从国防经济角度来看，减少油料需求也很必要，阿富汗战场的油料连运输成本平均100美元一加仑，每升折合约25美元；必须用直升机运送的前哨阵地更是离谱，高达400美元一加仑，每升折合近100美元。仅美国海军陆战队而言，在阿富汗的100多个前哨基地每天就需要20万加仑（75万7千升）油料，这是一个巨大的负担。

另一个问题是大量的依靠电池驱动的电子设备，出发时只有背上大量的备用电池。对于远程巡逻的小分队来说，可以达到电池重量超过子弹重量的程度。按照美军条令，巡逻超过72小时的话，需要带上30磅（约13.6公斤）的干电池，这是一个很大的负担。要是可以就地充电，可以极大地减轻这个负担。

多年来，燃料电池一直被看好为下一代移动能源的佼佼者，但大功率燃料电池的价格、可靠性、体积、重量一直是一个问题，成本至少是常规柴油发电机的40倍。对于特种部队来说，成本不是太大的问题，燃料电池已经开始使用，6磅（约2.7公斤）重的燃料电池加上6磅甲醇燃料可以替代30磅干电池。民用市场已经出现野营用的燃料电池，日本东芝制造一种只有289克重的微型燃料电池，可以同时对两个手机充电。东芝燃料电池价格为300美元，50毫升的甲醇燃料价格50美元。军用级的燃料电池功率要求更高，但依然只能提供小功率的电源，只是电池的替代，还不能替柴油代发电机。

美国海军陆战队则在试验用太阳能作为电源。2010年夏天，美国海军陆战队用一个连在新墨西哥的沙漠中评估太阳能充电技术。为了尽可能多地捕捉太阳能，太阳能电池板的安装方式无奇不有，包括像织物一样软软地覆盖在帐篷上的薄膜太阳能电池布。在整整8天里，全连完全依靠太阳能对所有军用电子设备充电，包括电台、GPS、军用笔记本电脑等。减少使用野战柴油发电机还可以在夜间减少噪声，避免巡逻暴露营地。在阿富汗赫尔曼的沙漠里的一个连也开始使用太阳能，降低油料需求达90%，因为车辆机动依然依赖油料。美国海军陆战队还计划用太阳能提供空调和热水。不过太阳能受到地理和气候限制，连绵阴雨天或者在阳光不足的城镇、丛林里，总不能因为无法用太阳能充电就不打仗了。铺得很开的太阳能采集装置目标大，容易暴露，容易受到攻击。太阳能也有功率有限的问题，对于连排级小分队或许适合，但对于包括大型雷达站、通信中心、维修中心、机场、兵站等用电大户的大型基地来说，还是难以满足供电要求。

对于大功率供电要求来说，小型军用核电站依然有独特的魅力，小型军用核电站不受油料供应制约，可以长时间不间断地大功率供电，比常规柴油发电机有更强的战场生存力和适应性。

核电站的技术存在已久，但规模出效益，所以民用核电站基本上都集中于大型核电站技术。但军用核电站强调小型，这不仅和基地的用电需求较为匹配，还有利于降低单元成本，便于大量部署和建造。美国的Radix、西屋、B&W、NuScale、Hyperion等公司都在积极研究小型军用核电站，美国国防部专门研究超前技术的DARPA也将小型军用核电站列入科研计划。

和大型民用核电站一样，小型军用核电站也分压水堆、高温气冷堆和液态金属堆。压水堆用加压的水吸收核反应的热能，然后过热水和二回路里的普通水热交换，产生高温高压蒸汽，推动汽轮发电机发电。高温气冷堆用氦气作为循环工质吸收核反应的热能，然后和二回路的普通水做热交换，产生高温高压蒸汽推动汽轮发电机，或者用1000度的高温氦气作为热源，通过热化学反应裂解水，产生氢气和氧气，供进一步的用途。液态金属堆用液态锂或者液态钠作为循环工质，其特别高的热容量使液态金属堆的热效率很高，体积非常小，但液态锂或钠的毒性非常大。更加先进的还有使用融盐的钍反应堆，但钍堆现在还没有实现工业规模，离军用小型化还有很大的距离。就现有技术而言，压水堆依然是最现实的技术，Radix用的就是压水堆。切尔诺贝利的石墨堆和福岛的沸水堆已经过时了，不在考虑之列。

西屋、B&W等都是核电站的老字号，技术也比较主流，但Radix是一家专业于50兆瓦以下的小型核电站的公司。Radix的小型核电站功率较小，从500千瓦到50兆瓦。燃料更换需要把整个反应堆堆芯取出，送回工厂处理。作为小型军用核电站，Radix的反应堆模块可以机动，反应堆关堆后，可以在一个星期内迁移到新的地址，原址没有核污染。Radix反应堆使用TRIGA核燃料，这原本是专用于非发电研究性反应堆的，特点是燃料棒的活性随温度升高而降低，所以不大可能发生失控性的温度飞升。Radix反应堆还有常规的不锈钢燃料棒护套和水浴，整个反应堆连同压力壳一起安装在地下，进一步防止核泄漏。反应堆模块特别加固，能耐受一定的攻击而不至于破损。

最特别的是，Radix的压水堆用发电余热驱动制冷系统（和太阳能制冷的原理类似），从空气中截获水分和二氧化碳，然后用二氧化碳和电解水制取的氢气合成液态碳氢燃料，供车辆使用。其供水供油的能力对任何基地指挥官来说，都有特殊的吸引力。供电是Radix反应堆的本行，当然不成问题；驱动空气冷冻后的余热可以用于房屋、帐篷加热，或者加热洗澡用的热水。10兆瓦电功率的系统需要40兆瓦热功率的反应堆，这样一个反应堆的直径约1.1米，重13吨，按照伊拉克空气平均温度40度和平均湿度23%计算，每天可以生产10吨合成柴油和1630吨饮用水。这样一个自给自足的前进基地是指挥官的梦想，不仅可以摆脱对补给油料车队的依赖，还可以几乎无限期地在前沿部署，好比海军核动力舰艇的无限航程。

难题在于小型军用核电站的作战使用问题。在和平时期，大型固定基地是常规；反恐作战也使用大型固定基地，作为前哨阵地网的节点和核心。但在真正的大规模作战中，军队的生命力在于机动，即使是大型基地，也需要随战斗的进展不断挺进后撤。尽管Radix声称可以在关堆后一星期内迁移，在实战条件下到底需要多少时间还很难说，重新开堆的时间则连Radix也没有给出。Radix的反应堆埋藏于地下，模块结构也得到加强，但战斗条件下是否会受到攻击而损坏，这也很难说。钻地炸弹可以攻击几十米深的地下加固工事，反应堆也难逃厄运。一旦有所损坏，即使不至于彻底毁坏，也有核电站不敢带伤运转的问题，那时候基地的能源供应一下子中断，修复或者重建耗费时日，将严重影响基地的作战甚至生存。当然，对于这样的紧急情况，还是可以用柴油发电机应急的，只是要连带应急油料供应体系一同考虑，否则到时候连运输和装卸油料的体系都需要临时抢建。

更大的问题在于，如果在战斗条件下必须放弃基地，而又没有足够的时间把反应堆起出运走，那时候怎么办呢？如果就地销毁，难免造成核污染，要是军用核电站建在在盟国或者友邻力量的地盘上，这是不可接受的。即使在敌方地盘上建立的军用核电站，这不仅有道义和国际法上的问题，还有未来反攻时的具体问题，这个基地即使夺回也不能用了。如果不销毁，不仅核电站落到敌人手里，敌人还可能从中得到未用完的核燃料，并由此提炼武器级的铀，用于制造核武器。这更不可接受。如果因为军用核电站而需要特别加强保卫，那对兵力的牵制只是转移了一个地方而已，并不符合初衷。

在理想情况下，小型军用核电站需要高度自动化，操作高度简单化，只需要少量未受专门训练的官兵就可操纵。但事实上，美国海军核动力舰艇是使用军用核能经验最长的军种，核动力装置的操作官兵全部是高度训练的专家，美国海军的核动力之父里科弗上将曾经坚持亲自面试每一个核动力舰艇上的军官，几十年里亲自面试了两万多人，前总统吉米·卡特就是这样认识的。美国陆军和空军采取类似的训练和选拔体制当然不是不可以，但这是一个极大的军队文化转变，远非轻而易举。

Hyperion的小型军用核电站采用液态金属堆技术，其基本设计是一个25兆瓦的系统，号称可以从北极到南极任意部署。Hyperion不用液态锂或者钠，而是用铅-铋合金作为循环工质。Hyperion号称反应堆只有大一点的按摩浴缸大小，重量和尺寸都大大小于压水堆，至少在理论上可能装在卡车上机动，或者用专用拖车由卡车拖带机动。这样可以机动部署的核电站将在使用上更加接近柴油发电机，极大地便利野战部队的使用。但铅-铋合金的毒性依然较大，在使用上需要非常小心，能否在战场条件下保证这样的使用和维修环境是一个很大的疑问。另外，因为安全和健康原因，Hyperion的设计在美国原子能管理委员那里可能较难过关。在理论上，美国军方的海外部署可以不理会美国原子能管理委员会的规定，但美国军方实际上还是遵守的，既为了满足适当的安全和健康标准，也为了基地在美国本土或者海外领地的情况，这些基地的原子能使用还是必须接受美国原子能管理委员会的管辖的。

高温气冷堆技术在技术上比压水堆的热效率更高，比液态金属堆更安全，但技术上的成熟程度也更低，至今还困扰于能长时间耐受如此高温、高中子量轰击的结构材料。钍堆在技术上更加先进。一吨钍所含核能相当于200吨铀，或者350万吨煤。钍堆可以做得更小，燃料更换周期更长。钍堆是本质安全的，需要注入中子流才能激发链式反应，只要设计得当，断电或者故障时，钍堆会自动停下来，不存在失控性温度飞升的可能性。钍堆不仅用钍做核燃料，还可以用常规核反应堆用剩下来的贫铀和钚作燃料。换句话说，钍堆里不可能像常规核反应堆里中子轰击铀后产生钚，而是把钚当作核燃料用掉，不仅极大地便利核废料的处理，也根本杜绝了核武器扩散的可能性。钍堆核废料的放射性远远低于铀堆，更重要的是，钍在地球里的蕴藏量和铅差不多，便于廉价开采，而且开采出来的金属钍经过简单冶炼就可以直接用作核燃料，不像铀，必须经过高度浓缩才可使用。专家估计，地球上的钍蕴藏量足够全球能源需求1000年，钍堆可谓理想核电站技术。不过钍堆的技术难度比高温气冷堆更大，结构材料还需要耐受融盐的腐蚀，离每个兵营一个钍堆的境界还有很长的时间。

未来之所以是未来，是因为还有很多具体困难，使理想还不能成为现实。DARPA把小型军用核电站列入研究计划，但这还只是远期科研项目。Radix等公司自信小型核电站技术已经达到足够成熟的程度，正在美军中兜售这个概念。美军基地指挥官们非常起劲，这解决了他们的大问题，但国防部高层还在观望。这不仅是官僚主义在作怪，在国防预算被大幅度“剃头”的今天，这样价码高昂的实验对仕途实在是太大的赌注。不过，这样的小型核电站对民用可能更有吸引力，在偏远地区用Radix这样可以同时供电供热和生产淡水、合成燃料的小型核电站组网，对开发沙漠、荒山和干旱地区无疑具有特殊的吸引力。疯狂博士的时间机器只是一个噱头，但在化石能源、太阳能、风能、波浪能都具有独特的局限而世界对能源的渴求与日俱增的今天，核能依然有其不可否认的魅力。未来世界里，核能或许还是有很大的一席之地，从兵营到村寨都是这样。

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