摘要：核能裂变的使用及其在气候变化影响方面所起的作用一直存在激烈的争论。裂变支持者认为，短期解决方案应包括快速部署第三代 + 核反应堆，比如沃格特勒 3 号和 4 号反应堆，而从长期来看，对气候变化的影响则依赖于第四代反应堆的创建与实施，这种反应堆是 “本质安全”
核能裂变的使用及其在气候变化影响方面所起的作用一直存在激烈的争论。裂变支持者认为，短期解决方案应包括快速部署第三代 + 核反应堆，比如沃格特勒 3 号和 4 号反应堆，而从长期来看，对气候变化的影响则依赖于第四代反应堆的创建与实施，这种反应堆是 “本质安全” 的，它利用物理和化学的被动规律运行，而不是依靠阀门和泵等主动控制装置来实现安全运行。
虽然第四代反应堆在很多方面存在差异，但它们几乎都有一个共同之处：使用特殊的高温冷却剂。这些流体，如熔盐和液态金属，能让反应堆工程师设计出更安全的核反应堆，这归根结底是因为每种流体的沸点都极高。在较大温度范围内保持液态的流体，能在许多严苛条件下实现良好的热传递，而且只需极少的加压。尽管这些流体最明显的用途是应用于先进的裂变能发电，但它们也有可能应用于其他发电来源，如核聚变、热存储、太阳能或高温过程热。
没有一种先进冷却剂的概念是全新的；事实上，几乎所有这些概念在 20 世纪 40 年代和 50 年代就已被提出并针对裂变能的目的进行了探索。最初，这些概念是为了实现增殖反应堆技术和提供无限的燃料而提出的，但到了 20 世纪 80 年代的某个时候，对先进流体的技术需求和资金支持都减少了。
四十年后，那些寻找应对气候变化方法的人再次将目光投向了高温流体以及由它们可能实现的新发电方法。这些未来主义者面临着巨大的挑战，一切都要从头开始。虽然熔盐和液态金属在 50 年前已接近成熟技术，但在 20 世纪 90 年代初美国先进核计划突然衰落期间，代际间的技术传承被切断了。该领域的许多领军人物早已退休或去世，这迫使一批新的工程师要从旧论文和重新开展的实验室实验中重振高温流体技术。
本文作者认为，这些新工程师要想取得成功，就必须效仿该领域创始人的关键行为和条件。简而言之，必须建立起一种敢于冒险、勇于开拓并且能够容忍错误的精神。然后，要利用这种文化，投入必要的预算来制造、测试和完善硬件设备。最后，工程师和科学家在这些努力过程中获得的知识必须记录下来、传播出去并用于教学，这样就不会重复不良实践。虽然肯定还有其他实现高温流体成功应用的途径，但不可否认的是，简单复制该领域创始人建立的核心实践和环境是一个有效的解决方案。
我们那些高温流体领域先驱们的成就，在 50 年后看来仍像是科幻小说里的情节。锂以超过每秒 48 米（接近每小时 100 英里）的速度被泵送通过管道系统，同时在 1073°C 的高温下发出炽热的白光。钠冷却反应堆采用闭式燃料循环运行。沸腾钾朗肯循环也经过了实验探索。运行温度呈樱桃红热的熔盐反应堆通过溶解燃料的方式进行化学卸燃料和加燃料，就像把糖溶解在水中一样。 理论上提出并制作了超过 10 种不同类型的电磁泵 —— 基本上没有活动部件的液态金属泵，用于输送液态金属，并且这些泵还被应用于最早的两艘核潜艇之一。人们还从零开始开发新的合金，并使用这些合金建造反应堆。带有近 40 英寸叶轮的大型泵在 593°C 的钠中进行了测试，每分钟可输送多达 34000 加仑的钠。
经验的巨大损失是可以量化的。据估计，到 1972 年，橡树岭国家实验室进行了超过 200 万小时的熔盐和液态金属实验，其中四分之一是机械泵送实验。所有这些成就都涉及到与有毒、易燃和高温流体相关的独特客观风险，而开拓者们承认并接受这些风险是他们工作的一部分。领导层认识到了这一点，承担起这些风险，捍卫了先进能源所需的条件，并为有远见的工程师们创造了成长的环境。
如今，对于这些流体的危害以及先进发电厂的目标，人们存在认知失调。现代工程师钦佩前辈们的成就，理解过去工作的实用性，但自己却害怕承担这些任务。大量投入到模拟、建模、替代工作和台式实验中的开发努力就证明了这一点。虽然先进核能（以及因此而涉及的这些高温流体的应用）的根本问题一直被归咎于严格的监管和高昂的成本，但我们不能忽视的是，20 世纪 60 年代那种以硬件为重点的开拓精神也在这个过程中消失了。
正如理论物理学家弗里曼・戴森恰如其分地所说：“冒险家、实验者和发明家被驱逐了，会计和管理者掌控了局面。”曾经充满突破界限者的核工程领域，如今已形成了一种不容许失败的僵化文化。虽然这种方法在公共安全至上的商业系统中是有必要的，但对于研究级别的系统来说，却不是一个富有成效的培育环境。一种保守的、一刀切的核文化，专注于将风险降至最低，这对该领域的未来是有害的。如果 SpaceX 的火箭在发射台上爆炸是不可接受的，那就不会有迭代开发、达尔文式的设计过程，也不会有产品。如果没有其快节奏的文化，SpaceX 几乎肯定不会吸引那么多愿意长时间工作的有前瞻性思维的工程师。我们必须接受失败的可能性；否则，就不会有可供聪明的年轻工程师学习的有意义的机械系统。
相反，如果没有经验丰富的工程师，如何能制造出先进的发电系统呢？显然，反应堆失败的后果比火箭失败的后果严重得多，但以前在核领域的 “卡纳维拉尔角”（爱达荷福尔斯郊外的高沙漠地区）已经多次进行过类似的尝试。必须合理地允许出现泄漏、火灾和错误（其中大部分教训之前已经学到过，但后来被遗忘了）。必须重新评估这些风险的严重程度，并且要仔细审视安全文化对进展的影响。如果风险太高，就应该缩小系统规模，直到获得信心为止。
如果能够实现文化改革，还必须克服第二组障碍 —— 预算和时间安排方面的障碍。关键参与者在做决策时，仅仅基于将产品推向市场以应对气候变化和反应堆老化的紧迫需求。这些开发者在寻找利用当前最先进技术的最快解决方案，并且尽量减少研究和开发工作。
许多人目前所走的道路是，积极地从一个想法跳跃到商业反应堆，中间只进行一两个大规模系统的开发，以此作为商业成功的努力的一部分。虽然通过运气和努力，这种努力肯定有可能取得成功，但更有可能遇到相当大的障碍。例如，为熔盐反应堆实验和飞机反应堆实验的前身进行的渐进式技术开发（化学、泵、材料等方面）花费了 8.8 亿美元（按 2025 年的美元价值计算为 96 亿美元），耗时约七年。1982 年，大约 5 亿美元的政府资金（按 2025 年的美元价值计算为 17 亿美元）被拨用于液态金属研究，仅技术项目和测试设施就分配了 2.85 亿美元。
康涅狄格先进核工程实验室综合体是为高温碱金属研究而建造的，1957 年的建造成本为 6500 万美元（按 2025 年的美元价值计算为 7.43 亿美元）；1963 年，该实验室 2500 名员工的预算为 4000 万美元（按 2025 年的美元价值计算为 4.15 亿美元）。这些只是当时众多项目中三个项目的部分情况。
虽然一些现代机构正在对先进流体技术进行大规模投资探索，但可以肯定的是，其力度远不及过去。不幸的是，目前的情况似乎不允许像我们的前辈那样基于硬件逐步推进。如今激进的时间表和过度的承诺导致了反复的失败和表现不佳，这进一步强化了熔盐和液态金属太难掌握的错误观念。考虑到每年投入到太空飞行中的数亿甚至数十亿美元，这种情况尤其令人失望，因为太空探索的好处更加抽象，相比之下，对先进流体技术的投入就更显得不足了。如果美国认真考虑将能源繁荣作为其未来的一部分，就必须投入资金来实现这一目标。如果美国在文化上无法接受对物理动力系统进行大规模的利他主义投资，那么其他理解多元化能源组合长期价值的国家就会开发和利用这项技术。
也许这个领域仍然吸引人们兴趣的唯一原因是，我们的前辈们非常详细地记录了他们的工作和设计决策。我们应该非常感谢那些不辞辛劳将这些工作数字化的图书馆员们。人们还对那个时代的许多杰出科学家和工程师进行了访谈，以保存他们的口述历史，这些访谈记录和视频可以在网上找到。历史视频甚至也被发布到了 YouTube 上。
快速浏览这些资料就会发现，在这个领域的巅峰时期，成千上万的美国高温流体工程师和科学家在各个国家实验室以及通用电气和罗克韦尔国际等私营行业巨头中朝着同一个方向努力。从橡树岭季度进展报告的组织结构图和钠钾手册的参考书目清单中，我们可以了解到那个时代的人员参与情况。甚至还能找到多个私营和公共利益相关方在基础钠技术方面进行大规模合作的记录 —— 在如今诉讼盛行的环境下，这简直令人难以置信。
如今的热工水力专家们分散在学术界、私营企业、初创公司和国家实验室中，缺乏一个核心智囊团，这导致了重复犯错和困难重重。更糟糕的是，如今最大规模的先进流体研究是由那些希望通过知识产权最终获利的私营公司进行的。在追求长期利润的过程中，这些公司相互隐瞒商业秘密和常识，迫使彼此重新发明基本技术、实践、标准、要求和技能基础。所有这些都导致了浪费和困难，从一开始就阻碍了知识产权的开发。
避免做无用功的一个可靠方法是，同行之间坦诚地讨论困难。可以由委员会记录最佳实践，这与美国机械工程师协会的锅炉和压力容器规范类似，这样基础知识就能得到保存和传播。这将大大增加这项技术得以应用的可能性。虽然 “核复兴” 通常仅被视为一个重生和发展的时期，但其更广泛的相似之处，如对经典理想的效仿、财政上的慷慨以及社会改革等，却常常被忽视。
如果我们认同这项技术是有价值的，就必须重拾过去的开拓精神，并确保有必要的资金来重现橡树岭国家实验室所记录的 200 万小时的高温实验。我们必须承认，我们的目标中存在不可忽视的风险，作为工程师，我们会努力将这些风险降至最低，但不能以无端的恐惧为代价。我们可以相互合作，共享信息，以更安全、更经济的方式开发这项技术。
如果对私营部门来说，这一要求过高，那么国家实验室或许可以重新承担起 “承担私营企业难以或不愿承担的困难和高风险任务” 的使命，重建他们过去辛苦积累的机构知识，正如阿尔文・温伯格在《第一个核时代》中所说。也许在核聚变这样的新领域取得成功，将为重振高温流体技术能力提供动力。
无论以何种方式实现，先进流体的好处很可能不是一种工程幻想。这些是跨越元素周期表的有价值的工具，可用于实现和革新多种能源发电形式。如果不能重新掌握这些技术，就等于剥夺了人类在应对气候变化斗争中的又一有力手段。就个人而言，如果不能释放熔盐或液态金属的潜力，数千人的职业生涯将变得毫无意义，他们所取得的进展也将仅仅成为被遗忘的美国智慧、创造力和伟大的瞬间。
本文作者：布莱恩・凯莱赫是一名热流体工程师，在熔盐和液态金属的实验室研究方面有 15 年的经验。
来源：新能源前沿