微型核反應堆前景及軍事應用
一、什麼是微型反應堆？
微反應堆是體積非常緊湊的核反應器，小到可以用卡車運輸，有助於解決許多領域的能源挑戰。微反應堆有三個主要特徵(1)微型反應堆的所有組件都在工廠組裝並運往現場。(2)較小的單元設計使其利於運輸。(3)簡單且反應迅速的設計概念將允許微反應器進行自調整。不需要大量的專業操作員，並且將利用被動安全系統來防止任何過熱或反應堆熔毀的可能性。微反應堆的設計雖不同，但大多數都能夠產生 1-20 MW的熱能，這些熱能可以直接用作熱量或轉化為電能。它們可用於產生清潔可靠的電力，用於商業用途或非電力應用，如區域供熱、海水淡化和氫燃料生產。微反應堆有更長的核心壽命，可在不換燃料下運轉10年，可與可再生能源無縫連結，可用於緊急恢復受自然災害襲擊地區的電力。美國能源部支持各種先進微反應堆設計，包括氣體、液態金屬、熔鹽和熱管冷卻概念。微型反應堆雖然小，但發電量可達20MW，可在偏遠地區提供零碳電力或補充電網恢復。改進的中子“慢化”可以使用低濃縮鈾燃料難將其武器化，微反應堆可以部署在能源短缺的地區或應付突發斷電。
美國德州在2021年2月發生一場冬季大風暴，導致數百萬人失去電力和電熱暖氣，若有微反應堆就可避免災情。美國能源部Argonne國家實驗室正在制定策略以使微反應堆可商業化。核反應堆需要冷卻，Argonne開發了多功能傳熱模塊，通過熱管從反應堆中帶走熱量——無需泵送功率。Argonne 與 HolosGen的合作重點是高溫氣冷微型反應堆，該反應堆設計用於裝入標準的 40 英尺集裝箱，氦氣可以很好地將熱量從反應堆中帶走，微反應器兼具可靠性和操作靈活性，這是其他小型發電系統無法比擬的。對這些非常小的反應堆重新產生興趣的原因有很多，包括需要在偏遠地區、部署的軍事設施以及從自然災害中恢復的地區小規模發電。微反應器標籤標誌美國國防部正在追求這一概念，因為其軍事行動變得更加能源密集，並且需要便攜式、高密度電源。美國偏遠的農村社區，其中許多使用柴油機或卡車來運行發電機，正在考慮使用微反應器，因為它們可以就地發電。它們作為工業過程熱源的潛在用途為海水淡化、制氫和其他行業的零碳能源開闢了潛在的新市場。
二、各國發展微反應堆概況
(一 )中國
中國大陸開發微型核反應堆技術的目的(1)解決偏遠地區能源短缺問題。(2)解決碳排放和環保問題，特別適合為邊疆、海島和偏遠山區、農村、工業基地、廠礦企業、大型項目建設工地等等提供供暖、供電保障。(3)軍事用途：為軍事基地和設施、邊疆海島軍事基地和軍事設施提供能源保障（特別是中印邊境地區我軍的軍事用途），為定向能等高能耗武器提供能源保障，為火箭軍陣地特別是移動陣地、防空飛彈陣地、戰時通信指揮中心等提供電力保障。中國大陸自上世紀七十年代末就開始了微型堆的研究。目前是世界上唯一完全掌握微型堆研究建造技術的國家。1984年3月，由中科院原子能院自主設計建造的第一個微堆建成並投入滿功率運行。1985年開始商用微堆的定型設計，主要供大學、研究機構教學用。2016年10月4日央視報導，中國鉛基快中子反應堆研發工作取得重大突破，鉛基反應堆核心技術實現了自主化，並躋身到了世界領先水平。沿用此項技術，未來還將率先推出只有貨櫃大小的迷你型核電源裝置「核電寶」。經專家鑑定，由中科院核能安全技術研究所設計研發的世界規模最大、功能最全的「鉛基堆冷卻劑技術綜合實驗迴路」和「鉛基堆冷卻劑氧測控技術」，實驗能力和運行參數達到國際領先水平，實現了核心技術自主化。
2019年10月中國核能集團和原子能院共同研製出第一座以鉛鉍合金作為主要材料的反應堆——「啟明星3號」。其預期目標是為軍用的坦克、裝甲車等大型武器裝備提供動能，以及開發民用汽車核電池、戶外活動核電池、日常家用核電池等更為廣泛的商業化應用。專家認為如果進展順利，在2025年就可以實現這一短期目標。2021年10月中國大陸在甘肅成功建成了世界首個釷基熔鹽微型反應堆，功率2MW。釷的放射性比傳統反應堆使用的鈾235小，半衰期也短，反應速度更慢，發生嚴重事故的機率更低，而且它在反應後產生的核廢料放射性也更小，半衰期更短處理，安全性也更高，因此釷反應堆天然具備安全性優勢。這些優勢為核反應堆的微型化、便捷化建設提供了可能，為更為廣泛的民用領域裡的開發提供了極大方便。
(二)俄羅斯
2021年11月4日，俄羅斯國家原子能公司（Rosatom）外公司市場部門負責人在小型堆和先進堆開發網絡研討會上表示，俄羅斯計劃2024年底完成Shelf M微堆(10 MWe)技術設計。該微堆項目是Rosatom小型堆開發計劃的“關鍵方向”之一。國際原子能機構(IAEA)反應堆數據顯示，由Rosatom旗下俄羅斯國家動力工程研究所研發的Shelf反應堆採用水冷、水慢化一體化反應堆設計。Rosatom首座陸基RITM-200N反應堆將於2028年在雅庫特共和國部署。2022年1月20日，俄羅斯國家原子能公司第一副首席執行官科馬羅夫表示，該公司正在開展Shelf-M微堆項目研究。科馬羅夫稱，該微堆裝機容量約為6萬千瓦，使用壽期約為60年，換料週期約為8年。這種反應堆具有很好的應用前景，維護簡單，在工廠完成組裝，運輸快捷。據2021年11月相關報導，俄原集團計劃2024年底完成Shelf-M微堆技術設計。該微堆項目是俄原集團小型堆開發計劃“關鍵方向”之中的一個計劃。國際原子能機構(IAEA)反應堆數據顯示，由俄原集團旗下俄羅斯國家動力工程研究所(Nikiet)研發的Shelf反應堆將採用水冷、水慢化一體化反應堆設計。
(三)美國
自上世紀60年代，美國就開始了微型核反應堆的技術研發和應用，主要為軍事目的，川普政府開始重視該項技術的軍民兩用開發。2021年1月，根據川普政府發布的行政指令，美國防部將加快研發並生產軍用微型核反應堆，以挖掘核能潛力、豐富能源供給，提升美軍在全球各作戰領域的軍事行動效能。美國的軍事目的有(1)為美軍基地或軍事設施提供電力，特別是要為戰時電網癱瘓時確保基地和設施的電能供應。(2)依靠微型核反應堆的可移動性，可快速部署至海外基地，支撐美軍遠距離作戰任務。(3)為特定武器裝備提供電力，如大型定向能武器，具備反衛星作戰潛力。(4)可用於艦載和空基平台，提供多領域的通用能源。美國太空開發的目的是利用核動力系統替代傳統化學燃料，為太空飛行器在太陽能不足或遠離地球太遠的情況下提供電力保障。還可大幅減少傳統化學燃料重量過大的問題，增加航空太空飛行器的有效載荷，並探索為美軍太空武器提供可靠的能源供應。美聯社2021年10月21日報導，美國空軍已選擇在阿拉斯加州內陸的一個基地部署其第一座微型核反應堆，計劃在2027年之前完成該項目。美國能源部的微反應器應用研究驗證和評估(MARVEL) 反應器的全尺寸電加熱原型已在愛達荷國家實驗室(INL) 建造。
三、美國陸軍在核微型反應堆領先
依據美國國家利益雜誌報導，美國陸軍正領導部署核微型反應爐的推動，作為軍方對安全、韌性及不間斷能源日益增長需求的戰略解決方案。支持核能可能是目前美國國會中最具共識的議題之一，推動者是認為核能能強化美國能源安全與國家安全。事實上，全球各地支持核能聲量漸大，新的核能專案也以加速的速度投入運作。美國軍方正積極利用這項技術，為作戰提供可靠的電力。核能對軍事具有決定性的戰略價值。作為聯合部隊軍事維持的命脈，能源是作戰成功的基礎，而核能則是能源技術的巔峰。更新後的格言「業餘者談論戰術，專家研究持續保障」強調了必須找出有效解決方案，以應對現代戰爭中最關鍵的後勤挑戰：可靠的能源。隨著無人機、電子戰、定向能及下一代指揮控制系統需要不間斷的電力，能源需求已達到前所未有的高度。核能以無與倫比的能源生產解決了聯合部隊的持續運作挑戰。鈾-235的能量密度是柴油的200萬倍，而柴油則是商用電池的50倍。一顆高爾夫球大小的235，儲存的能量相當於鋰電池中超過十座艾菲爾鐵塔的重量。一座微型反應爐可等同於1億加侖柴油的能量，實現無需加燃料的持續運作。
美國陸軍主導核微反應器開發，成為軍事核能工作的主導機構。政府要求陸軍必須在2028年9月30日前建立一個官方計畫，要求在國內軍事設施設置一座運作中的反應爐。因此，2025年10月，美國宣布Janus計畫，作為陸軍在關鍵地點建立運作性且具商業價值的微型反應爐的正式機制。陸軍是這項工作的理想領導者，因為其任務導向的方法持續帶來有利於軍事行動與平民生活的解決方案。它不僅保護美國，還建設並維護國家許多水道、港口和水壩，並將關鍵基礎設施運送給其他聯邦機構。其雙重用途能力旨在提升作戰耐力與國家韌性。陸軍有著悠久的開創性技術歷史，這些技術常被人們不與軍隊聯想在一起。在核能方面，陸軍正與國內最先進的能源項目密切協調。Janus計畫由同一支「全明星」技術團隊支持，這是美國首座第四代反應爐，也是美國現代反應爐設計的先驅。陸軍結合美國國家航空暨太空總署（NASA）、國防高等研究計畫局（DARPA）的Draco計畫及能源部（DOE）的Project Marvel的專業知識，將Janus計畫定位為現代核能部署國家安全的全球藍圖。美國陸軍已與國防創新單位（DIU）合作，在未來五年內預留20億美元，用於開發與建造首創核反應爐。美國陸軍正介入承擔這項首創的風險，讓商業市場能跟進，國家也能從更廣泛的採用中受益。核能已經是國防的有效乘壓器。七十多年來，美國海軍在潛艦和航空母艦上安全運行小型核反應爐，累積超過7,000反應爐年運作，且未發生過任何反應爐事故。當前的挑戰不在於證明該技術的安全性或有效性，而是陸軍是否能以成本效益與足夠快速的方式交付微型反應爐。
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