DT君在今年1月舉辦的全球新興科技峰會，麻省理工學(xué)院核能實驗室負(fù)責(zé)人、核反應(yīng)堆專家Lin-wenHu將發(fā)表主題演講。
就在剛剛過去的2017年12月，核反應(yīng)堆迎來其誕生后的第75周年。為了慶祝此事，MIT重新啟動了頗具歷史的石墨指數(shù)堆，石墨指數(shù)堆也成為了教育與研究的新工具。
在這個特殊的時刻，我們獨家專訪了MIT核能實驗室負(fù)責(zé)人、核反應(yīng)堆專家胡玲文教授，她也和我們分享了目前全球核能面臨的挑戰(zhàn)和新機遇。
問：如今最火的行業(yè)莫過于AI，很多人都義無反顧的投身ComputerScience，核能是一個相對冷門的領(lǐng)域，您當(dāng)初為何會選擇核能？尤其是作為女性。在核能領(lǐng)域，是否有AI的身影，或者說這個時代最火的技術(shù)，在核能領(lǐng)域扮演了怎樣的角色？
胡玲文：大概是在上世紀(jì)80年代，也就是我還在讀高中的時候，我開始對核能領(lǐng)域萌生興趣。“核裂變能產(chǎn)生的能量是煤炭化學(xué)燃燒的數(shù)百萬倍”，這個概念當(dāng)時深深地吸引了我。而且在那會兒，進入科學(xué)與工程行業(yè)的女性還很少，所以我十分感激我能有機會在臺灣清華大學(xué)學(xué)習(xí)核工程，然后于1996年在麻省理工學(xué)院（MIT）學(xué)習(xí)核工程并獲得博士學(xué)位。
自上世紀(jì)世紀(jì)60年代以來，核能一直被視為可靠環(huán)保的發(fā)電能源之一。而目前正在運行的商業(yè)核電站大都是上世紀(jì)六七十年代時設(shè)計的輕水反應(yīng)堆核電站。對于進一步改善核電的安全性和經(jīng)濟性、拓寬核電未來的發(fā)展空間，以及應(yīng)對當(dāng)前嚴(yán)峻的全球氣候變化問題來說，研發(fā)、展示并推廣更為先進的核反應(yīng)堆技術(shù)至關(guān)重要。
目前，許多技術(shù)革新都能用于一代反應(yīng)堆的設(shè)計，比如先進的制造工藝，高精的傳感和各種設(shè)備，以及更為優(yōu)化的計算和建模方法。而在我看來，人工智能（AI）技術(shù)則有著能顯著降低核電場的運營成本，并提高核電的安全性的潛力。
問：您提出的“次臨界反應(yīng)堆”相比于傳統(tǒng)核電反應(yīng)堆有哪些優(yōu)勢，又有哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？
胡玲文：建造示范性反應(yīng)堆所需時間太長，這個問題是新型核反應(yīng)堆發(fā)展目前面臨的主要挑戰(zhàn)之一（從場地選擇和許可文書的處理開始算，這個過程目前至少需要十年以上）。所以，為了加快MIT的一個示范性小型熔鹽反應(yīng)堆的建設(shè)，我的小組提出了亞臨界反應(yīng)堆的概念。該概念將MIT反應(yīng)堆作為一個驅(qū)動次臨界熔鹽反應(yīng)堆的中子源，不需要新的場地和新的反應(yīng)堆許可文書，因而能大大減少建設(shè)示范性新型反應(yīng)堆的時間和成本。
雖然，由于亞臨界反應(yīng)堆只會模擬反應(yīng)堆堆芯的一部分，而且從監(jiān)管部門的角度出發(fā)，我們最終可能還是需要建造一個完整的原型示范性反應(yīng)堆。但是，亞臨界反應(yīng)堆應(yīng)該能提供關(guān)于新型反應(yīng)堆設(shè)計可行性的早期關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進而使開發(fā)者能更容易的獲取建設(shè)原型堆的資金和批準(zhǔn)文書。
問：核能發(fā)展的未來在哪？是熔鹽堆、快堆等先進裂變堆，還是具有固有安全性的小型化反應(yīng)堆，亦或是聚變堆？6種先進堆型中，您認(rèn)為哪一種可能最先脫穎而出？
胡玲文：未來，我們究竟會使用哪種核電技術(shù)取決于具體的區(qū)域和實際的需求。小型模塊化反應(yīng)堆具有安全性高、資本投入低的特點。熔鹽反應(yīng)堆和其他高溫反應(yīng)堆則提供了新的燃料循環(huán)方案，比現(xiàn)有的輕水反應(yīng)堆在經(jīng)濟性上更勝一籌。而快中子增殖反應(yīng)堆能將核廢料轉(zhuǎn)化為燃料，進而有效利用鈾資源并將其作為一種長期能源。但所有這些新的反應(yīng)堆設(shè)計都將需要進一步的研究和開發(fā)才能被真正投入建設(shè)和使用。
圖丨麻省理工學(xué)院核反應(yīng)堆實驗室的大門問：核能發(fā)展目前面臨怎樣的挑戰(zhàn)，又有哪些振奮人心的突破？
胡玲文：在我看來，目前核能技術(shù)發(fā)展所面臨的一個主要挑戰(zhàn)，是如何保持可靠和穩(wěn)定的研發(fā)資金支持以及國際合作。激動人心的是，美國現(xiàn)在開始有民間資金對核技術(shù)開發(fā)進行投資，而政府也出臺了一些相關(guān)支持性的舉措。另外，國際合作也能加速下一代核電技術(shù)的發(fā)展過程。比如，比爾蓋茨的TerraPower與中國核工業(yè)集團公司就開發(fā)行波反應(yīng)堆達(dá)成了協(xié)議。以及MIT目前正在與中國科學(xué)院合作開發(fā)熔鹽反應(yīng)堆。對于像氣候變化和污染這種的全球性挑戰(zhàn)，我相信它們最終只有通過國際合作才能被解決。
以上為DT君與胡玲文教授本次采訪的全文，相信讀者們對胡玲文教授以及她領(lǐng)導(dǎo)的MIT核能實驗室仍十分好奇，而未來全球能源革命的走向同樣是很多人所關(guān)心的話題。好消息是，胡玲文教授已經(jīng)接受了DT君的邀請，將出席本月末于北京舉辦的EmTech全球新興科技峰會，屆時將會為我們帶來更精彩的前沿科技觀點，敬請期待！
MIT重啟石墨堆全程回顧
1942年12月2號，在芝加哥大學(xué)StaggField橄欖球場看臺下，諾貝爾獎獲得者恩利克·費米（EnricoFermi）率領(lǐng)實驗團隊首次實現(xiàn)了可控鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)——這標(biāo)志著核紀(jì)元的開端，也為首個原子彈與首座核電反應(yīng)堆的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
75年后，為了紀(jì)念芝加哥一號堆（CP-1）首次臨界，MIT在周六重啟了與芝加哥事件同樣具有劃時代意義的一座裝置。MIT的次臨界實驗設(shè)施與CP-1反應(yīng)堆研發(fā)以及自持鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)一樣具有里程碑式意義。
圖丨核科學(xué)與工程系及核反應(yīng)堆實驗室共同慶祝CP-1實現(xiàn)人類首次鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)75周年。與MIT石墨指數(shù)堆相同的反應(yīng)堆級石墨被制成紀(jì)念品。這次紀(jì)念可不僅僅是走走過場。研究人員重啟了一個叫做石墨指數(shù)堆的裝置，它始建于1957年，未來幾年，MIT的學(xué)生將用它做次臨界實驗，在未來新型反應(yīng)堆的設(shè)計研究上，它也將成為獨特而有價值的研究工具。
該裝置是由純石墨（鉛筆芯材料）制成的大立方體狀堆，上面留有插入鈾棒的鉆孔。天然鈾棒的輻射劑量很低，它很安全可以直接裸手去拿。1942年，費米和同事就是這樣干的，雖然他們也有防護手套。
費米的反應(yīng)堆實驗之后的幾十年內(nèi)，美國大學(xué)和國家實驗室建造了20多個類似的石墨堆來做基礎(chǔ)研究與教學(xué)。但隨著時間推移，它們大多都被處理掉了。MIT的這個堆只有費米反應(yīng)堆的一半大，但卻是后建石墨堆中最大的，而且保留了下來。但它已經(jīng)被遺忘并閑置多年，直到去年才被MIT核科學(xué)與工程系邁克爾·肖特（MichaelShort）教授“重新發(fā)現(xiàn)”。
12月2號，斯密斯教授在MIT核反應(yīng)堆實驗室向45位嘉賓介紹石墨指數(shù)堆的歷史。
當(dāng)了解到該裝置還保存完整時，核科學(xué)與工程教授科爾德·斯密斯（KordSmith）感到很驚訝。它表面有金屬面板保護，看上去像一個廢棄的儲藏柜，路過的師生根本不會意識到它的存在。斯密斯和他在核科學(xué)與工程系的同事，以及核反應(yīng)堆實驗室主任大衛(wèi)·蒙克頓（DavidMoncton）迅速制定了一個重啟計劃，以紀(jì)念反應(yīng)堆開創(chuàng)性實驗75周年。1957年，MIT核科學(xué)與工程系學(xué)生理查德·納普（RichardKnapp）在他的學(xué)士論文中設(shè)計了該反應(yīng)堆系統(tǒng)。
目前，該裝置的30噸石墨和2.5噸鈾已經(jīng)全部清理并恢復(fù)完畢，最后一塊鈾在12月2號也儀式性地裝載完畢。這一儀式邀請了45名教師、學(xué)生和嘉賓共同見證，時間剛好是芝加哥反應(yīng)堆完成的時間，當(dāng)時的人數(shù)也是45人。
據(jù)史密斯介紹，隨著核工業(yè)迅速從石墨堆轉(zhuǎn)向輕水堆、重水堆與鈉冷堆，MIT的次臨界石墨堆最終被淘汰。有關(guān)石墨系統(tǒng)的實驗與核工業(yè)關(guān)聯(lián)不大。這些裝置都以石墨（或水）作為慢化劑，將輻射源放出的中子的速度降低到原來的百萬分之一。然后，熱中子與其它鈾原子相互作用并形成自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即中子通過撞擊鈾原子釋放更多中子，新的中子又形成一系列碰撞。CP-1的臨界是通過插拔控制棒控制的。控制棒由鎘制成，可以吸收中子并中斷反應(yīng)。
圖| 站在石墨指數(shù)堆前的科爾德·斯密斯和邁卡·蓋爾。石墨堆將作為學(xué)生的教學(xué)與研究工具如今，新一代核反應(yīng)堆有很多前沿設(shè)計，包括非能動冷卻系統(tǒng)和不停機更換燃料的設(shè)計。這些設(shè)計開始重新使用石墨，所以該反應(yīng)堆再一次成為有用的研究工具。它可以讓學(xué)生們親手處理核燃料，還能更輕易的接觸到反應(yīng)堆。MIT雖然有滿功率的研究型反應(yīng)堆，但它幾乎常年運行并產(chǎn)生6MW熱能。研究型反應(yīng)堆上的實驗可以進行新型燃料棒包殼或監(jiān)控儀器的研究，但一年只能實驗一次。
據(jù)史密斯介紹，學(xué)生們將能夠在石墨指數(shù)堆上進行安裝、運行實驗，并在幾小時或幾天內(nèi)得到結(jié)果。石墨堆的使用有望激發(fā)學(xué)生的興趣，并為在MIT研究性反應(yīng)堆上做前沿性實驗做好準(zhǔn)備。
“過去這些年，石墨作為反應(yīng)堆媒介已經(jīng)來來回回啟用又棄用多次，”斯密斯說，但現(xiàn)在“我們正在重生。”即使是今天，核反應(yīng)釋放的中子如何散射通過石墨的晶體結(jié)構(gòu)，仍具有重要研究價值。斯密斯說，最近有人提出了新的物理模型來描述這些相互作用，我們希望使用石墨堆“來設(shè)計實驗去驗證這些新的理論模型。”
斯密斯認(rèn)為，除了能幫助研究新的反應(yīng)堆、燃料和包殼類型，對核工程專業(yè)的學(xué)生而言，石墨堆和MIT的研究堆還將成為有價值的教育工具。“我們傾向于培養(yǎng)善于開發(fā)計算算法和模型的學(xué)生。但如果不能對比自己的計算結(jié)果，你會以為自己的模擬是完美的。”然而，在現(xiàn)實世界中，實際測量通常不會與預(yù)期完美符合，懂得這些差別才有助于提升理論模型。
