一、前言
在伊拉克和阿富汗戰爭期間，美軍燃油補給線成為敵方重點攻擊目標，向前線作戰基地運送燃油車隊經常遭到敵方襲擊，2003—2007 年，因燃油補給車隊遇襲共計造成 3000 多名軍事人員傷亡[1]。在造成人員傷亡的同時，燃油供應成本持續攀升。據估算[2]，采取陸運方式向前線作戰基地運送燃油，成本可達 50 美元 / 加侖(1 加侖 ≈ 3.785 L)，而采取直升機空投方式向偏遠哨所運送燃油，成本則高達 400 美元 / 加侖。以燃油供應為代表的陸戰場能源保障已成為困擾美軍海外作戰部署甚至影響作戰效能的一大難題。近年來，我軍信息化水平不斷提升、新型武器系統列裝部隊、力量抵達范圍不斷擴大，未來陸戰場電力需求將顯著增加，以車載/ 便攜式油機發電為主的“油轉電”供電模式將面臨燃油保障壓力大、電力供應不可靠等突出問題。
為解決上述問題，各國軍隊采取提高能源效率、推廣可再生能源和替代燃油應用等應對措施，但并不足以從本質上消除陸戰場能源保障問題。因此，核能因其獨特的技術優勢成為陸戰場能源保障的重要選項。尤其是微型模塊化反應堆(vSMR)，具有輸出功率高、電網適配性強、機動靈活的特點，在新型雷達系統、定向能武器系統、前線作戰基地等方面的應用空間廣闊，已引起軍事強國的高度關注。目前 vSMR 尚未形成標準定義，但具備 3 個基本特征：每個反應堆模塊發電功率上限約為 10 MW[2];全系統在出廠前組裝完畢;全系統可以通過海 / 陸/ 空方式機動運輸。
關于 vSMR 的研究，國內多數專家學者從經濟社會發展角度出發，重點分析技術現狀、發展趨勢和應用需求，而陸戰場能源保障方面較少提及 [3~6]。國外研究機構和專家學者則從固定設施、前線基地等多個應用視角探討了 vSMR 陸戰場能源保障的可行性。美國國防科學委員會(DSB)、愛達荷州國家實驗室(INL)均提出將 vSMR 應用于前線作戰基地能源保障的觀點，詳細分析了前線作戰基地應用 vSMR 的特殊需求以及面臨的風險挑戰 [2,7]。美國核能研究所(NEI)全面論證了在美國本土軍事基地進行 vSMR 部署的可行性并給出了時間路線圖[8]。
從國內外研究現狀可以看出，我國在 vSMR 陸戰場能源保障研究方面尚處于萌芽階段，相關進展明顯落后于國外。本文剖析美國陸軍 vSMR 的研究歷史，介紹美國 vSMR 的技術發展現狀，理清當前vSMR 陸戰場應用的現實基礎、主要優勢、面臨挑戰和具體場景，并就 vSMR 技術在我軍發展應用的可行性和途徑開展探討。
二、美國陸軍 vSMR 研究歷史
對于美軍而言，解決陸戰場能源保障問題并非近期才面臨的挑戰。早在第二次世界大戰、朝鮮戰爭和越南戰爭中，美軍就大規模使用移動發電站(如電源駁船、大型柴油發電機等)為作戰部隊提供電力保障。1954 年，美國陸軍在參謀長聯席會議法案要求下啟動陸軍核能計劃(ANPP)，目標是應用核能為偏遠基地、前線作戰基地供應能源，從而縮短電力、燃料和水的供應鏈[9]。1957—1977 年，美國陸軍開發并運行了 8 座核反應堆，其中 5 座為便攜 / 移動式反應堆(見表 1)，均在測試和實際環境中成功運行[7]。這 5 座反應堆從輸出功率上看屬于 vSMR 的范疇，但其技術狀況、應用方式并未達到拼裝組合的模塊化水平。
表 1美國陸軍核能計劃中的便攜 / 機動式反應堆系統
(2)PM-2A 自 1960 年 11 月開始為位于丹麥格陵蘭島的軍事基地提供電力和熱能，成為第一個在偏遠獨立軍事基地應用的核電站[11]。PM-2A 被拆分后運送到目標基地，現場組裝后成功運行，驗證了利用預制組件組裝核電站的可行性[9]。
(3)PM-3A 是一座陸軍建設、海軍使用的核電站，也是海軍第一座地面核電站[11]。從 1962 年開始為南極洲的海軍基地提供能源保障。截至 1972 年退役，PM-3A 生產電力超過 7.8×107 kW·h，并利用海水淡化廠的多余蒸汽生產淡水 4.92×107 L[12]。
(4)ML-1 是陸軍首次嘗試進行戰場應用的機動模塊化微型反應堆，始建于 1961 年，主要用于為指揮和通信中心、戰場醫院、雷達和武器系統提供電力[11]。ML-1 總質量約為 38 t，各種組件拆解后放置于 4 個集裝箱內，可以通過飛機、公路或鐵路運輸[13]。經過幾次重大改進和數百小時的運行測試，ML-1 的性能并未達到預期，同時因越南戰爭導致財政緊張、自身系統存在可靠性問題，于1966 年停止發展[13]。
(5)MH-1A 作為駁船式核電站，由一艘二戰時期的軍艦改裝而成，1968 年投入運行，主要為巴拿馬運河區域的軍事行動提供電力和淡水[11]。
經過近 20 年的實踐探索，美國陸軍總結經驗認為，在當時的技術條件下，核反應堆維護復雜、研發費用高昂、安全風險始終存在，加之柴油發電機技術趨于成熟、石油價格不斷走低，ANPP 的發展規模逐漸縮減。1977 年，巴拿馬運河區域的 MH-1A停止運行，此后美國陸軍的核能應用研究進入低谷。
三、美國 vSMR 技術現狀
核能技術經過數十年的發展，為人類社會提供了清潔能源保障，然而大中型核電站建造周期長、費用高，不適用于小型電網需求。在這一背景下，vSMR 技術價值重新獲得關注，被視為大中型核電站的有效補充，且相關軍事供能應用重新成為研究熱點。
目前，美國在 vSMR 技術領域處于世界領先水平，正在積極研發新一代 vSMR 原型系統，其中較有代表性的有：馬里蘭大學帕克分校(UMCP)研發的 Holos 系統、洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)研發的 MegaPower 系統。
(一)Holos 系統
Holos 以 8% 富集度的濃縮鈾為燃料，1 次裝料可運轉供電 10~20 年，設計有兩種型號[9]：輸出功率為 3.3 MW 型號，可裝入 20 ft (1 ft = 0.3048 m)標準集裝箱;輸出功率為 13 MW 型號，可裝入 40 ft標準集裝箱，系統總質量不超過 40 t。Holos 采用緊湊型總體布局設計，所有組件集成后的外包絡不超出標準集裝箱(見圖 1)，由此滿足快速、機動、安全的運輸要求;系統核心模塊可采用商用廢物 / 乏燃料處置儲存罐方案，進一步降低退役成本[2];采用“即插即用”應用模式，可與電網直接連接。
圖 1Holos 系統運輸構型
(二)MegaPower 系統
MegaPower 以 19.5% 富集度的濃縮鈾為燃料。從核不擴散的角度看，這種核燃料濃縮水平低，屬于非武器級。MegaPower 系統總質量約為 35 t，可聯合供應 2 MW 電力和 2 MW 熱量，1 次裝料可連續運行 12 年[2]。與 Holos 類似，為提升安全性和易運輸性，MegaPower 采用了將所有組件封裝在特殊裝甲中的總體布局(見圖 2)。MegaPower 系統設計方案已經確定，正在開展技術集成驗證;DSB預測該系統在 2021 年前后進行原型演示[2]。
圖 2MegaPower 系統主體構成
四、美國陸軍 vSMR 應用想定
在戰場燃油消耗大、補給難、成本高、風險突出以及新一代 vSMR 技術不斷成熟的多重因素推動下，美國陸軍開始深入研究陸戰場應用核能的可行性。2016 年，DSB 在《前線 / 偏遠作戰基地能源系統報告》中指出[2]，vSMR 將成為改變陸戰場能源保障范式的顛覆性技術，有望實現陸戰場能源從稀缺型向充足型的巨大轉變。2018 年，美國陸軍提出在地面軍事行動應用 vSMR 技術的移動反應堆電源(MNPP)項目，但未公開部署應用路線圖與時間規劃[9]。
(一)基本設想
MNPP 是一種通過核裂變發電的小型移動電力系統，與 20 世紀 60 年代的 ML-1 相比，戰場應用理念基本相同。但由于當前的vSMR技術更加成熟、體積更小、運行更加穩定，MNPP 成為陸戰場供能的能力選項。按照設想[9]，MNPP 包括 1 個 vSMR模塊和 1 個裝有核燃料的配套設備，全系統放置于標準集裝箱內，具備良好的戰場機動性和運輸多樣性。MNPP 模塊化的設計和應用方式，可將多個vSMR 模塊拼裝組合，為滿足更大的電力需求提供了靈活性。
(二)應用場景
考慮到 vSMR 安全防護問題，美國陸軍在規劃MNPP 主要應用場景時，堅持安全與實用相結合的原則，重點將其部署在戰時部隊登陸的主要港口、機場以及前線作戰基地。這些關鍵部位用電需求大、情報收集能力和安全防護能力強，能夠確保 MNPP的安全防護。此外，大型雷達等電力需求大的能源密集型系統，以及難以接入公用電網的偏遠軍事基地，也成為 MNPP 的重要應用場景。
(三)使用方式
按照規劃，MNPP 經過工廠預裝、反應堆臨界測試與試運行后，在確保系統可靠、運行正常的前提下，根據需要運送至不同戰場。MNPP 系統小巧輕便，運輸方式機動靈活。典型使用方式為[9](見圖 3)：MNPP 通過空運方式從美國本土運至戰區，而后轉換公路運輸至前線作戰基地;經過現場組裝、安全防護后開始為基地提供能源保障，長期連續工作;換料周期(預計 10~20 年)臨近時，MNPP 返回美國本土進行換料、再次利用或退役處置。
圖 3MNPP 戰場應用模式
五、美國陸軍 vSMR 應用分析
(一)應用優勢
1. 保障優勢
一是提升部隊戰斗力。實戰表明，從空中和地面運送液體燃油要付出巨大的生命和金錢代價。應用 vSMR 進行陸戰場供能，1 次裝料可持續運行10~20 年，從而大幅削減對柴油發電機的供電需求。這不僅可以顯著降低部隊護送燃油補給車隊的頻次，還可以將更多的燃油用于保障主戰裝備，從而擴大作戰半徑，提升持續作戰能力。
二是機動靈活、供能迅速。盡管柴油發電機用于保障陸戰場用電已近百年，但固有的熱 / 聲特性使其很容易被識別和攻擊。vSMR目標特性相對弱，不易被敵方識別和定位，經機動部署后可以迅速為遇襲的機場、港口等關鍵基礎設施重建提供能源保障。
三是高功率密度滿足新型武器的能源需求。隨著定向能武器、電磁炮等新型高能武器技術發展，未來陸戰場能源需求將持續增加，vSMR 具有高功率密度的天然優勢，在同樣體積內可為新型武器裝備持續提供更多的電能。
四是電 / 熱 / 水聯供，滿足前線作戰基地多方面需求。vSMR 可供電、供熱，同時結合海水淡化技術為遠海移動基地提供淡水，滿足基地武器裝備能源需求的同時保障基地人員生活需求，有利于提升移動基地的綜合保障能力。
2. 成本優勢
美國陸軍 MNPP 項目對輸出功率為 13 MW 的Holos 系統與前線作戰基地、偏遠哨所柴油發電機供電的經濟效益進行了對比分析[9](見表 2)。負荷因子為 75% 的工況下，燃油價格為 2.25 美元 /加侖時，Holos 供電成本為柴油發電機的 44.4%;燃油價格上漲至 7 美元 / 加侖時，Holos 供電成本不變，僅為柴油發電機的 14.8%。對比顯示，柴油發電機供電成本受燃油價格的影響較大，綜合成本較高;Holos 供電成本盡管受負荷因子的影響明顯，但中高負載條件下的綜合成本僅為前者的 1/5~1/3。可以預計，由于運輸條件惡劣導致燃油價格進一步提高后，Holos 的成本優勢將更為突出。
表 2野戰應用條件下的供電成本對比 美元 / (kW·h)
3. 環境優勢長期以來，由于軍事行動的特殊性，陸戰場環境污染問題一直是各國環境治理的“死角”。據估算[14]，2003—2010 年伊拉克戰爭期間，發生在該國的所有軍事行動每年排放 CO2 的當量為2.5×108 ~6×108 t，這與陸戰場消耗大量傳統化石能源有直接關系。相比之下，核能屬于清潔能源，vSMR 運行時可實現污染物零排放;即便涉及核廢料處理問題，vSMR 的燃料超過 10 年才更換 1 次，同時核廢料有專門的處理機制，幾乎不用擔心環境污染問題。
(二)存在挑戰
1. 監管與許可
雖然美國陸軍在 20 世紀六七十年代開展了小型移動反應堆的系統研發與示范應用，但當前的商用反應堆設計規范和應用理念、核能管理體系、本土及國際運輸系統，并不直接適用于 vSMR。監管機構目前的工作重點是大型核電站(基于傳統核技術，固定不可移動)。推動 vSMR 技術在美軍實現應用，需要美國國防部(DoD)與多方機構協調，對現有核監管體系制度進行針對性的補充完善，這將是復雜而漫長的過程。另外，由于缺乏國際通用的許可標準，對于全球作戰的美軍而言，實現vSMR 在不同國家的陸戰場應用，需要獲得所駐伙伴國的許可。然而，不同國家對核能應用的態度有差異，vSMR 在保障美軍全球軍事行動過程中，將面臨各種復雜的許可審批程序。
2. 生產能力
美國作為核大國，生產能力似乎不應成為vSMR 發展所面臨的挑戰。但實際情況是，美國已多年沒有新建核反應堆，國內核企業設備制造能力明顯減弱，短時間內難以形成大批量生產能力。在核燃料供應方面，MNPP 項目評估后認為，如果在5~10 年內部署 MNPP，將需要大量的低濃縮鈾作為燃料，而目前美國只有 1 家制造商在進行商業用途的核燃料濃縮;為了滿足 MNPP 燃料的潛在需求，需要對現有設備進行升級并重新獲得美國核管理委員會(NRC)的許可，這需要 5 年左右的時間[9]。
3. 安全防護
安全是發展核能、推廣應用的底線。美國陸軍規劃了一系列安全措施確保 vSMR 核心組件安全，例如：使用低濃度核燃料、采用一體化集成設計、非能動安全系統、設計裝甲防護等。但核安全問題仍然是推動 vSMR 軍事應用的主要挑戰之一，對于執行全球作戰行動的美國陸軍而言，將 vSMR放置在前線 / 偏遠作戰基地，必將成為敵方重點打擊和破壞的目標，從而面臨潛在的核污染和處理問題。
六、對我國發展 vSMR 技術的初步思考
(一)未來 10 年將是 vSMR 發展的關鍵時期，應積極推進，搶占陸戰場能源保障技術制高點
從公開資料研判，美國已將 vSMR 作為傳統陸戰場供能的重要替代選項。2018 年 10 月，NEI 發布《美國本土軍事基地部署小型反應堆路線圖》，計劃于 2027 年年底前部署第 1 臺小型反應堆[8]。地面軍事行動中 MNPP 項目的提出，表明對 vSMR陸戰場應用也進行了系統研究。vSMR 技術對于軍事裝備更新換代和未來實戰能力提升的戰略意義不言而喻。
當前，我國尚未在 vSMR 陸戰場應用方面展開系統研究。無論是用于營區的固定式小型反應堆，還是用于戰場的機動式 vSMR，均涉及需求論證、技術研發、示范選址、環境評估、安裝部署等在內的 vSMR 裝備發展全過程，客觀上需要相當長的時間。建議把握當前陸戰場能源保障技術發展的主要潮流，從頂層設計入手，按照“先營區、后戰場”“先國內、后海外”的基本思路，論證制定vSMR 技術發展和軍事應用發展路線圖，搶占未來陸戰場能源保障技術制高點。
(二)維護海外利益與國際維和行動的不斷增多，對軍事能源保障提出新要求，應提前論證vSMR 海外運用可行性
從美軍研究可見，海外軍事基地是 vSMR 軍事應用的重要方面。隨著我國海外利益不斷拓展、國家參與國際事務不斷增多，海外軍事行動將日趨頻繁，迫切要求軍事力量具備“走出去”的能力，隨之而來的是對海外能源供應與保障的需求。
不同國家電力基礎設施條件不同，能源質量、籌措難度差異較大，這為海外能源保障帶來諸多隱患。因此，實現海外軍事行動能源保障獨立自主、安全高效，vSMR 具有重大發展潛力。建議在進行相關核技術研發攻關的同時，從政治影響、國際磋商、政策制度、運行機制等多方面系統論證，及早明確 vSMR 海外運用的可行性。
(三)適時組織核能宣傳教育，克服“談核色變”心理，為 vSMR 軍事能源保障掃清思想障礙
廣島 / 長崎核爆炸、切爾諾貝利核事故、福島核事故所帶來的災難性后果，讓人們深刻認識到核能的巨大威力，“談核色變”思想早已根深蒂固。推動 vSMR 陸戰場能源保障應用，不僅要在關鍵技術突破、配套資源體系化方面取得發展，更要在思想認知方面早作準備。積極組織核能宣傳教育，以核動力航空母艦、核動力潛艇等核能軍事應用成功案例為示范，讓軍事人員了解核能的工作原理、防護機制、應用優勢、發展趨勢等，引導其樹立正確的核能觀。
(四)充分發揮軍地各自優勢，堅持軍地協同、形成合力，加速推動 vSMR 技術攻關與示范應用
推動 vSMR 軍事應用，應充分發揮軍地各自優勢：軍隊應深入研究陸戰場能源保障應用場景及潛在問題，及時制定應對策略，做好需求論證對接工作;國家應在小型模塊化反應堆研發方面積極部署，依托中國核工業集團有限公司、清華大學等單位取得的研究成果，進一步推動相關技術發展;同時加強與地方職能部門、科研院所合作，鼓勵社會科技力量參與 vSMR 科技創新，積極承擔相關技術研發工作。
與投產的大多數商用核反應堆不同，vSMR 在10~20 年的運行壽命中，需要多次啟動、關閉，通過多種運輸方式實施機動和部署。上述應用特征提出了新的核技術設計要求和標準。建議充分借助國內核反應堆民用技術發展迅速的優勢，匯聚軍地創新資源、形成研發合力，及早突破核心技術、掃清政策障礙、開展原型系統建設和示范應用，從而加速推動 vSMR 陸戰場能源保障應用。
七、結語
美國陸軍 MNPP 項目的提出，從實踐角度對vSMR應用于陸戰場能源保障的可行性給予了回答，這為軍事大國裝備發展提供了有益參考。當前，我國正處于軍事能源保障轉型初期，應結合國防和軍隊建設以及未來戰爭對能源保障的需求，組織專業力量對 vSMR 核心技術進行集中攻關，研發符合國情和軍事需求的 vSMR 原型系統并適時開展陸戰場能源保障示范工程。在對軍事應用場景、應用模式、安全防護措施等進行充分論證后，制定計劃并逐步開展 vSMR 的裝備定型、批量生產、采購、列裝等工作，創新提升軍事能源綜合保障能力。
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