上一次發生這種情況是在不到 10 年前，當時日本福島第一核電站發生了一次大地震，隨后發生了一系列海嘯。但未來幾年即將上線的新一代反應堆的目標是讓這類災難成為過去。這些反應堆不僅比現在的核電站更小，效率更高，而且它們的設計者聲稱它們實際上可以防熔毀。他們的秘訣是什么? 被數百萬個亞毫米大小的鈾外殼包裹。它叫作 Triso燃料，就像一個具有放射性的大塊圓硬糖。

Triso 是“ 三 結 構 各 向 同 性”(tristructural isotropic)燃料的簡稱，它由低濃縮鈾和氧的混合物制成，周圍有三層石墨和一種叫作碳化硅的陶瓷層。每個粒子都比罌粟籽小，但它的層狀外殼可以保護里面的鈾，即使在反應堆中最極端的條件下也不會熔化。

保羅 • 德姆科維茨(Paul Demkowicz)是愛達荷國家實驗室(INL)先進氣體反應堆領域開發和鑒定項目的負責人，他的大部分工作是模擬下一代核反應堆的最壞情況。在過去的幾年里，德姆科維茨和他的同事們一直在對 Triso 燃料進行鑒定測試，包括將它們放入反應堆中并打破溫度限制。如今，大多數核反應堆的運行溫度都遠低于 1 000 華氏度，甚至下一代高溫反應堆的最高溫度也將在 2 000 華氏度左右。但在 INL 試驗中，德姆科維茨證明 Triso 能夠承受超過 3 200 華氏度的反應堆溫度。在長達兩周的測試中，30 萬個粒子中沒有一個 Triso 涂層失敗。

德姆科維茨說：“在新的反應堆設計中，基本上不可能超過這些溫度，因為反應堆在達到這些高溫時會關閉。因此，如果你把這些反應堆設計與一種能應付熱量的燃料結合起來，你基本上就有了一個防事故的反應堆。”

在常規核反應堆中，防止熔毀的主要防線是燃料控制棒，電廠操作員用它來控制堆芯的裂變率。

如果溫度變得過高，它們會將更多的燃料棒推入核心，這樣裂變率和溫度就會下降。世界上每一個運行中的核反應堆都被安置在一個巨大的安全殼結構中，以防止發生故障時放射性物質逸出。

但是對于Triso 燃料，這些安全特性是多余的， 因為每個粒子都被有效地包裹在控制棒中。這為小型反應堆的設計打開了大門，這在以前是不可能的。“現在你不必耗資數億美元去建造反應堆的大型安全殼，因為這種燃料本身就帶有安全殼，”生產 Triso 燃料和核反應堆的 BWXT 公司核操作小組主席喬爾 • 杜林(Joel Duling)說，“這樣你就可以有一個能裝在貨柜里的反應堆，而且仍然具有傳統商業反應堆的所有安全特性。”

Triso 燃料從 20 世紀 60 年代就開始使用了，但是它的制造成本很高，而且沒有足夠的能量密度來滿足世界上大多數核電站中都具有的巨型輕水反應堆的需求。然而，一旦美國能源部在 2015 年啟動了“核項目加速創新門戶”(Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear program)， 開始支持開發小型高溫反應堆的企業，Triso 燃料的時代似乎已經到來。但只剩下一個問題：沒有人生產它。

自 20 世紀 80 年代中期以來，受鈾價格和需求下降的刺激，美國的核燃料生產能力一直處于自由落體狀態。但在 2003 年，BWXT 與能源部合作生產用于測試的 Triso 燃料，并證明如果需求增加， 它可以大規模生產這種燃料。當時，布什總統正在推動美國即將到來的“核復興”，但這一宣布結果為時過早。再經過 15 年，美國聯邦政府向一批核能初創企業注入了數億美元的資金，復興才開始實現。直到2019 年10 月，BWXT 才宣布重啟Triso 生產線， 為未來幾年將上線的下一代高溫核反應堆提供燃料。

“在不久的將來，我們會看到對新反應堆的大量需求，”杜林說，“到 20 世紀 20 年代末 30 年代初，Triso 將成為主流的燃料類型。”

BWXT 是美國僅有的兩家開發用于商業生產的Triso 燃料的公司之一，它還向美國政府提供用于其實驗性 3D 打印核反應堆的Triso 燃料。另一家公司， 總部位于馬里蘭州的 X-energy，在核能業務上相對較新，但自 2019 年年初以來，一直在橡樹嶺國家實驗室運營一個試驗性 Triso 生產設施。

將未加工鈾轉化為 Triso 是一個多步驟的過程， 首先將開采的鈾礦石或從武器級材料中提取的鈾與化學物質混合，使其變成凝膠狀的珠子。這些珠子，每個直徑只有 1 毫米，稠度相當于軟心豆粒糖，然后將其放入一個熔爐中，爐內注入氣體，在鈾核周圍沉積一層薄薄的石墨和碳化硅。其結果是大量不可摧毀的Triso 燃料顆粒被壓成圓柱形或球形燃料丸。

BWXT 制造的燃料丸更為傳統——是一個子彈大小的小圓柱體，而 X-energy 公司將其 Triso 燃料注入一個彈球大小的閃亮銀色球體中。X-energy 首席執行官、前美國能源部副部長克萊 • 塞爾(Clay Sell)喜歡稱它們為“能量球”，并表示它們將用于為該公司的新反應堆 Xe-100 提供燃料。

Xe-100 是一個小型的球形燃料反應堆，其設計功率僅為 75 兆瓦。(為了進行比較，目前美國運行中最小的核反應堆的發電量約為 600 兆瓦。

X-energy 公司負責燃料生產的副總裁皮特 • 帕帕諾(Pete Pappano)將其比作一臺口香糖機。“能量球穿過核心，從底部出來，然后回到頂部。”帕帕諾說。

Triso 球需要大約半年的時間來完成反應堆內部的循環。在需要更換之前，它可以穿過核心 6 次。

還有其他好處。塞爾認為，未來使用 Triso 燃料的核電站不需要在反應堆周圍留出數英里的空地， 而是可以靠近用戶。“在物理上，Triso 在反應堆中熔化是不可能的，它違反物理定律，”賽爾說，“當你從一個不能熔化的反應堆開始，你的安全狀況就完全改變了。”這就是為什么國防部今年與 X-energy 和 BWXT 簽署了一項協議，為偏遠的軍事基地開發一個小型移動核反應堆，也是美國宇航局考慮將Triso 燃料用于核動力航天器的原因。

與其他所有先進商業核反應堆一樣，Xe-100 目前正在接受核管理委員會的審查。帕帕諾說，這是一個漫長而艱巨的過程，但如果監管機構予以批準， X-energy 公司準備在這個十年末之前對反應堆進行全面的演示。與此同時，X-energy 公司和 BWXT 公司都在致力于擴大他們的 Triso 生產設施，這樣當下一代核反應堆出現時，他們將擁有使熔毀成為歷史的燃料。