美国橡树岭国家实验室对我国反应堆技术发展的启示

文彦　卢川　刘文兴

【摘 要】本文梳理了美国橡树岭国家实验室的发展历程及其在核反应堆领域的科研工作，包括发现氙-135、钚-240等重要核素，提出重水堆、增殖堆、球床式高温气冷堆、压水堆等概念，完成“鹦鹉螺”号核潜艇反应堆方案设计等。回顾了其12座研究堆，包括溶液堆、熔盐堆、脉冲堆和水冷堆等，以及在飞机核动力、增殖堆核电站、移动式反应堆、核商船和核能海水淡化等领域推广应用核能与核动力技术的尝试。通过上述研究，可为我国核能与核动力技术的长远发展提供参考和借鉴。

【关键词】橡树岭国家实验室;研究;启示

中图分类号： G649.712文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）32-0098-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.043

0 概述

橡树岭国家实验室（简称ORNL）是美国能源部所属的大型国家实验室，成立于1943年。研究领域涉及中子科学、能源科学、化学与放射化学等。

建立70余年以来，ORNL在核能技术领域作出了历史性的贡献，特别是早期发展阶段，在核反应堆技術领域开展过大量探索性、开创性研究，为核能技术可持续发展奠定了重要基础。

本文简要回顾和研究了ORNL的发展历程及其在核反应堆技术领域的科研工作，对我国核能技术长远发展具有借鉴意义。

1 ORNL的创立

1941年12月，美国正式启动原子弹研制计划，在芝加哥大学汇集原子弹之父奥本海默、氢弹之父爱德华.泰勒等优秀科学家，成立冶金实验室开展链式反应基础研究。后冶金实验室的科学家牵头分别在田纳西州橡树岭地区建立克林顿实验室进行原子弹原料生产，在新墨西哥州建立洛斯阿拉莫斯实验室从事核武器研制，并将芝加哥大学的世界首座石墨反应堆迁往附近阿贡地区，成立阿贡实验室从事反应堆相关研究。

图1 橡树岭国家实验室发展脉络

克林顿实验室逐渐扩建形成大型综合性核能实验室，1947年被美国原子能委员会命名为橡树岭国家实验室（见图1）。

2 早年科学活动与主要成果[1]

2.1 汉福特反应堆冷却剂选择与氙-135的发现

冶金实验室成立后开展了用于原子弹材料钚-239生产的天然铀石墨慢化钚生产堆设计，提出过氦气、液态铋和轻水3种堆芯冷却剂，后因氦气循环压缩机研制难度太高，液态铋实际操作难度大的原因，经过科学家们激烈争论，最终选取了轻水冷却方案。

1944年，美国在华盛顿汉福特地区建成钚生产堆。在运行初期出现意外的自动停堆现象，费米等科学家通过现场研究发现一种堆芯裂变产物氙-135，它因中子吸收截面很大，会导致堆芯有效增殖系数明显降低而被称为“毒物”。该发现为后来的核反应堆物理学发展奠定了重要理论基础。

2.2 重水慢化堆概念提出

1942年，冶金实验室发现采用重水做慢化剂比石墨高出10%左右的堆芯中子增殖系数，因此从1943年起开展重水慢化反应堆研究，分别提出了采用重水和燃料棒组合的非均匀栅格重水堆、采用铀的重水溶液或悬浮溶液的均匀重水溶液堆两种概念方案。为阿贡实验室建造“芝加哥3号”重水堆及后来世界建造的多座重水堆核电厂奠定了重要理论基础。

2.3 X-10反应堆与反应堆温度系数测量

为给汉福特反应堆提供技术经验，美国在克林顿实验室先建造了X-10钚生产原型堆，并于1943年11月实现临界。它采用与汉福特反应堆不同的高速空气作冷却剂，是人类历史上第2座链式反应堆，也是世界首座产生显著热量的反应堆。后来在该堆上准确测量出了反应堆温度系数，为反应堆技术的发展奠定了重要基础。

2.4 钚-240的发现

1944年，洛斯阿拉莫斯实验室在对钚开展研究时发现，钚-239吸收一个中子后，约有30%的概率转化为钚-240，且钚元素在反应堆内滞留时间越长，生成的钚-240越多。由于钚-240会自发裂变再产生中子，它将导致原子弹被提前引爆。该发现促使洛斯阿拉莫斯实验室将原来的“枪型”原子弹改进为“内爆式”原子弹，促进了原子弹技术的发展。

2.5 增殖反应堆概念提出

1944-1945年间，克林顿实验室通过大量理论研究首次提出增殖反应堆概念，进而首次提出快中子增殖堆和中能中子增殖堆设计方案，这为后来快堆及增殖堆技术发展奠定了理论基础。

2.6 核扩散问题与核废料问题提出

在增殖堆概念提出的基础上，费米提出核武器原材料钚向恐怖组织扩散的问题，以及反应堆放射性物质处置问题，即后来引起世界广泛关注的核扩散和核废料问题。至今，这两个问题仍是影响核能可持续发展的关键。

2.7 高温气冷堆概念提出

基于“曼哈顿”计划中炸药化学制造等技术基础，克林顿实验室将用于固定空气中氮气的方法推广为球床反应堆的概念，将气体（如氦气）用作冷却剂，流过铀的氧化物或碳化物球床，该概念的提出为后来球床式高温气冷堆技术的发展奠定了理论基础。

2.8 压水堆概念提出

1944年前后，克林顿实验室测得天然铀栅格在空气中优化排列后增殖系数最大仅为0.2，该研究首次试验证明天然铀不可能发生原子弹爆炸，也证明天然铀具有一定的快中子裂变截面，通过与轻水组合可能产生链式反应，这一重要结论极大地推动了轻水反应堆技术发展，后进一步在X-10反应堆热中子源区域开展了轻水栅格组合实验，证明采用轻水可使天然铀（或低浓缩铀）堆芯中子增殖系数接近1。

1944年9月，克林顿实验室提出采用轻水作慢化剂与冷却剂的压水堆概念，为后来全世界推广应用压水堆核电站和舰艇反应堆技术奠定了重要理论基础。

2.9 橡树岭核技术学校创建

1946年，克林顿实验室创建了反应堆培训学校为工业界和美国海军培养核工程人才，其中就包括后来的美国“核潜艇之父”里科弗、西屋公司和碳素公司领导人等。该校于1950年正式命名为橡树岭核技术学校，曾编写教材《反应堆理论纲要》并被我国高校初创核反应堆专业时广泛采用[2]。

2.10 “鹦鹉螺”号核潜艇反应堆概念方案

1947年“冷战”开始后，里科弗领衔启动研发核动力潜艇。初期产生了通用电气液态钠冷堆和ORNL压水堆技术之争，考虑压水堆系统简单、体积小等优点，可以弥补热效率低的不足，“鹦鹉螺”号最终采用压水堆方案，并在ORNL完成核动力装置布置草图设计，后研制任务被分派到阿贡国家实验室。

在此期间，ORNL首次验证了锆在高温高压水中的良好耐腐蚀性，为后来压水堆广泛采用锆合金作燃料包壳奠定了重要基础。另外，ORNL还提出压水堆密封转子水泵设计方案，为后来屏蔽泵研发应用奠定了基础。

3 多堆全面开花

1950-1965年间ORNL建造运行了溶液堆、熔盐堆、脉冲堆和水冷堆4型共12座研究堆。

在其中的低强度试验堆内首次证明堆芯水慢化剂高速流动不会影响中子平衡反应这一结论;首次发现反应堆内切伦科夫辐射光;开展实验证明了沸水堆的可行性，为后来沸水堆研发建造提供了重要支撑。

此外，1950年运行的一体化屏蔽实验堆是世界首座游泳池反应堆，被推广到全世界，先后建造100余座。1958年运行的橡树岭研究堆成功运行了30年，是美国早期最强的中子源，在中子衍射与同位素生产领域长期领先。

4 核能技术推广应用[1]

4.1 飞机核动力

20世纪40年代后期，美国空军曾提出核动力飞机研制计划。提出了采用含铀熔融氟化物作堆芯燃料的熔盐堆概念，并成功建造了飞机反应堆实验装置（ARE），该熔盐堆在2.5MW功率下成功运行了100小时。后进一步建造了两座悬空反应堆实验装置来研究飞机核动力的屏蔽特性。

飞机核动力在1959年美国洲际弹道导弹研制成功后战略需求大幅降低，一年后计划终止。

4.2 增殖堆核电站

20世纪50年代，ORNL先后设计并建造了两座溶液堆（HRE和HRT）和一座高功率熔盐堆（MSRE）。两座溶液堆先后出现溶液辐照产气、功率振荡、溶液泄露和等问题，很快被关闭。熔盐堆则自1965年起正常运行了4年，期间成功采用钍作燃料運行了1年时间，实现了铀-233燃料的增殖。当时压水堆技术已获得较大成功，快堆增殖技术也已占据主导，因此熔盐堆技术也未得到进一步发展。

4.3 陆军移动式反应堆

上世纪50年代，在美国海军和空军分别发展核潜艇和核动力飞机时，美国陆军也启动了移动式反应堆电源（SM-1）项目。由ORNL负责反应堆设计。首座移动式反应堆1957年在华盛顿附近的贝尔沃堡建成，采用高浓铀燃料压水堆，可对偏远区域供热、供电，该堆运行了10年。美国后来又在格陵兰、南极和北极等地区建造了8座该型反应堆。但由于维护、经费等原因陆续全部退役。

4.4 核商船

核潜艇取得成功后，ORNL协助巴威公司建造了世界首艘核商船“萨瓦纳”号，将核动力技术推广到民用船舶领域。它采用1座69MWt压水堆，运行8年时间后因经济性差提前退役。

4.5 核能海水淡化与工业利用

20世纪60年代始，随着核电厂大量建造，ORNL又开展了核能用于海水淡化和工业工艺的研究。提出美国及中东地区核能海水淡化、利用核能开展化工产品制备、矿石提炼、金属制造等设想和方案。后因经济性差均未发展。

5 结束语

本文简要回顾了20世纪40-70年代美国ORNL在核能技术领域的发展历程，从中可感受到科学家在核科学和工程领域的积极探索、大胆创新精神，其研究成果为世界核能事业发展做出了历史性贡献。

21世纪的今天，我国核能与核动力发展也迎来新的机遇，消化吸收以往核反应堆科学研究经验教训，将为我国核能事业的开创发展提供有助推力量。

【参考文献】

[1]艾尔文.温伯格.第一核纪元[M].吕应中译.北京：原子能出版社.1996.

[2]贾斗南.回忆核科学与技术学科的创建和发展历程[OL].2016.