行波反应堆

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行波反应堆模拟图。红色：铀-238； 绿色：钚-239；黑色：裂变产物；蓝色的深浅代表中子密度。

行波反应堆（英语：TWR, Traveling wave reactor）是一种通过嬗变将不可裂变材料转变为可裂变核材料，接下来利用这些材料的裂变来发电的一种反应堆设计。行波反应堆属于钠冷快中子反应堆，在设计上属于第四代反应堆。[1]和其他快中子反应堆和增殖反应堆不同的是，行波反应堆可以直接使用贫化铀、天然铀、钍和轻水堆产生的核废料作为燃料。理论上，行波反应堆甚至可以使用其自身产生的乏燃料作为燃料。如果行波反应堆普及，就可以免除铀浓缩和乏燃料再处理等环节，降低核能的成本和环境风险。在行波反应堆中，裂变集中发生在裂变区，而不是整个堆芯。这个裂变区会从堆芯中心向外扩散，就像水波一样向外运动，行波反应堆由此得名。理论上，一次装料后，行波反应堆可以自持运行数十年，不需要添加新燃料，也不需要清除乏燃料。然而建造一座行波反应堆非常困难。[2]目前尚未有这种反应堆投入商业运行。

历史

1958年，塞维利·范伯格（Saveli Feinberg）提出了一种可以在堆芯内自己“制造”燃料的反应堆并称之为“增殖-燃烧堆”。[3]这是行波反应堆的雏形。自此之后一直有人断断续续的研究这种反应堆，[3][4][5][6][7][8]但都限于理论和设计层面，并没有人将这种理念付诸实施。90年代中出现了可能成为现实的行波反应堆设计。[9]

2006年，智能创投公司成立了一个子公司，称为泰拉能源（TerraPower）。该公司设计了一系列行波反应堆，装机容量从300兆瓦到1000兆瓦。[10]

2010年，比尔·盖茨在TED大会上专题讨论了泰拉能源和他们设计的行波反应堆。[11]比尔·盖茨是核电解决全球暖化论点的最有力倡议者，其认为别的能源解决方案都不切实际是空中楼阁，只有精进核能技术能最终产生平民可负担价格的抗暖化能源，2017年3月盖茨以泰拉能源公司董事长身份访问中国大陆，他关注到中共中央总书记习近平对于核能计划的热衷，中核集团的快堆反应堆已经发电，盖兹曾于2009年亲眼目睹该实验快堆，另一种球床反应堆也在建，中国已经有两种第四代反应堆技术的实体机组，他认为中国是世界上如今唯一有财力、技术、意愿建造行波反应堆的国家。[12]

反应堆物理

从泰拉能源发表的文章和报告来看，该公司的行波反应堆使用金属钠作为冷却剂，主要使用贫化铀做燃料，但需要一小部分浓缩铀-235或其他可裂变材料作为引发剂。[13][14][15]裂变反应释放出的快中子被铀-238俘获，通过以下核反应增殖：

开始时，引发剂燃料棒被置于堆芯的正中。反应堆引发后，堆芯形成四个区域：

  • 贫化区，含有未完全燃烧的燃料和裂变产物；
  • 裂变区，增殖后的燃料发生裂变的区域；
  • 增殖区，不可裂变的材料在这个区域俘获快中子，嬗变成可裂变核燃料；
  • 未反应区，行波还未到达的区域。

裂变区不停地由里到外从堆芯中央往外推进，释放出来的热能被熔化的金属钠吸收，然后加热冷却水产生高压蒸汽，推动汽轮机发电。[14]

燃料

和轻水堆不同，行波反应堆仅用少量浓缩铀-235或其他可裂变材料引发核反应（~10%左右），剩余燃料为贫化铀、天然铀、钍和轻水堆产生的贫铀核废料，却可以在封闭的反应器内连续运行40年以上。[15]贫化铀原料非常易得，是浓缩铀过程的副产品。例如美国目前拥有将近700,000吨的贫化铀。[16]由于燃烧深度大、燃料密度高和热效率好，行波反应堆产生每千瓦时电力需要的燃料比轻水堆要低得多。

传统增殖反应堆中，反应堆停止运行后需要利用化学手段才能提取出其中的钚，再经过浓缩之后才能把这些钚用于核燃料，当钚的浓度超过一定数值时则可制作成核武器。[9]而行波反应堆的乏燃料不需要化学分离钚，而是只需要区域熔炼。这防止了核废料的生成，同时降低了核扩散的风险。[14]行波反应堆甚至可能使用自己的乏燃料——因为一次燃烧只能把20-35%的燃料嬗变为可裂变材料；只需熔化后重新铸造，便可获得新的行波反应堆燃料，开始下一次发电。

行波和驻波的比较

在泰拉能源公司的设计中，增殖-燃烧波不是从反应堆的一端移到另外一端，而是从里到外。[17]裂变区的移动速度很慢，大约为每年一厘米。[9]此外，当燃料的化学构成经嬗变而变化之后，燃料棒会不停地移动位置，以期获得堆内最优中子通量和燃料使用。因此，在泰拉能源公司的设计中，燃料棒在移动，燃烧波（裂变区）基本静止在一个区域（驻波），而不是燃烧波在静止的燃料中移动。这和许多媒体的报道相反。这样做的好处是，冷却系统不必和行波同步移动，而是冷却一个相对固定的驻波区域。燃料棒由机械装置操作，整个反应堆一直处于封闭状态，不用离线。

对行波反应堆的批评

行波反应堆招来了一些希望大力推广钍做核燃料的人的批评。弗里伯能源公司的柯克·索伦森说，快中子反应堆建起来已有难度，行波反应堆就更难。他还认为行波反应堆的退役计划也有问题。弗里伯能源公司的顾问罗伯特·哈格雷夫斯称赞用行波反应堆解决全球能源荒的目的不错，但其发电成本接近传统核电，不可能低于化石燃料。

参考文献

  1. ↑ A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems (PDF). US Department of Energy. [2013-03-18]. 
  2. ↑ 核能的更新换代. [2013-03-18]. 
  3. ↑ 3.0 3.1 S. M. Feinberg, "Discussion Comment", Rec. of Proc. Session B-10, ICPUAE, United Nations, Geneva, Switzerland (1958).
  4. ↑ M. J. Driscoll, B. Atefi, D. D. Lanning, "An Evaluation of the Breed/Burn Fast Reactor Concept", MITNE-229 (Dec. 1979).
  5. ↑ L. P. Feoktistov, "An analysis of a concept of a physically safe reactor", Preprint IAE-4605/4, in Russian, (1988).
  6. ↑ E. Teller, M. Ishikawa, and L. Wood, "Completely Automated Nuclear Reactors for Long-Term Operation" (Part I), Proc. of the Frontiers in Physics Symposium, American Physical Society and the American Association of Physics Teachers Texas Meeting, Lubbock, Texas, United States (1995); Edward Teller, Muriel Ishikawa, Lowell Wood, Roderick Hyde, John Nuckolls, "Completely Automated Nuclear Reactors for Long-Term Operation II : Toward A Concept-Level Point-Design Of A High-Temperature, Gas-Cooled Central Power Station System" (Part II), Proc. Int. Conf. Emerging Nuclear Energy Systems, ICENES'96, Obninsk, Russia (1996) UCRL-JC-122708-RT2.
  7. ↑ H. van Dam, "The Self-stabilizing Criticality Wave Reactor", Proc. Of the Tenth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems (ICENES 2000), p. 188, NRG, Petten, Netherlands (2000).
  8. ↑ H. Sekimoto, K. Ryu, and Y. Yoshimura, "CANDLE: The New Burnup Strategy", Nuclear Science and Engineering, 139, 1–12 (2001).
  9. ↑ 9.0 9.1 9.2 How It Works: Traveling-Wave Reactor. [2013-03-18]. 
  10. ↑ K. Weaver, C. Ahlfeld, J. Gilleland, C. Whitmer and G. Zimmerman, "Extending the Nuclear Fuel Cycle with Traveling-Wave Reactors", Paper 9294, Proceedings of Global 2009, Paris, France, September 6–11, (2009).
  11. ↑ Bill Gates. Innovating to zero!. TED. [2010-07-13]. 
  12. ↑ 中時 - 蓋茲推新核電 6度登陸談合作. [2017-03-25]. 
  13. ↑ R. Michal and E. M. Blake, "John Gilleland: On the traveling-wave reactor", Nuclear News, p. 30–32, September (2009).
  14. ↑ 14.0 14.1 14.2 Wald, M. 10 Emerging Technologies of 2009: Traveling-Wave Reactor. MIT Technology Review. 2009-March/April. 
  15. ↑ 15.0 15.1 Gilleland, John. TerraPower, LLC Nuclear Initiative. University of California at Berkeley, Spring Colloquium. 2009-04-20 [2009-10]. 
  16. ↑ United States Department of Energy,"Depleted UF6 Inventory and Storage Locations" . Accessed October 2009.
  17. ↑ T. Ellis, R. Petroski, P. Hejzlar, G. Zimmerman, D. McAlees, C. Whitmer, N. Touran, J. Hejzlar, K. Weaver, J. Walter, J. McWhirter, C. Alhfeld, T. Burke, A. Odedra, R. Hyde, J. Gilleland, Y. Ishikawa, L. Wood, N. Myrvold, W. Gates III. Traveling-Wave Reactors: A Truly Sustainable and Full-Scale Resource for Global Energy Needs (PDF). American Nuclear Society, Summer Meeting. 2010-06-14 [2012-01]. [永久失效链接]

外部链接

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