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行波反应堆

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、钍和轻水反应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。

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。

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（英语：Intellectual Ventures）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] 因受到美国总统川普与北京当局在科技领域纠纷影响，泰拉能源放弃与中国核工业集团有限公司的合作计划，究其原因则是，美国能源部在2018年10月11日公布了《美国对中国民用核能项目合作政策框架》。这一文件虽然没有禁止美国企业跟中国的所有核交易，但是要求高度保证用于合作的技术不会用于军事或者其他未经授权的目的。[13] 取而代之的是日本原子能研究开发机构（JAEA）和三菱重工，将与比尔盖兹名下泰拉能源合作，在美国怀俄明州建造一座新型钠反应堆。JAEA 和三菱重工将为先进的反应堆提供技术支援和数据。[14]

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。[15][16][17]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。[16]

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。[17]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。[18]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。[16]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。[19]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。[20]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（英语：Flibe Energy）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。[21]

参考文献

  1. ^ A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems (PDF). US Department of Energy. [2013-03-18]. （原始内容 (PDF)存档于2006-10-05）. 
  2. ^ 核能的更新换代. [2013-03-18]. （原始内容存档于2021-01-21）. 
  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]. （原始内容存档于2021-01-25）. 
  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]. （原始内容存档于2011-11-13）. 
  12. ^ 中時 - 蓋茲推新核電 6度登陸談合作. [2017-03-25]. （原始内容存档于2017-03-25）. 
  13. ^ https://www.rti.org.tw/news/view/id/2007044，美中貿易戰擴大 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 比尔盖兹中国核电计划受阻
  14. ^ https://ec.ltn.com.tw/article/breakingnews/3787698，誰幫蓋茲建新核電廠？中企出局 三菱出线
  15. ^ R. Michal and E. M. Blake, "John Gilleland: On the traveling-wave reactor", Nuclear News, p. 30–32, September (2009).
  16. ^ 16.0 16.1 16.2 Wald, M. 10 Emerging Technologies of 2009: Traveling-Wave Reactor. MIT Technology Review. 2009-March/April. 
  17. ^ 17.0 17.1 Gilleland, John. TerraPower, LLC Nuclear Initiative. University of California at Berkeley, Spring Colloquium. 2009-04-20 [October 2009]. （原始内容存档于2009-07-31）. 
  18. ^ United States Department of Energy,"Depleted UF6 Inventory and Storage Locations" （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Accessed October 2009.
  19. ^ 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 [January 2012]. [永久失效链接]
  20. ^ M. Wald. Developer of Novel Reactor Wins $35 Million Infusion. The New York Times. 2010-06-14 [June 15, 2010]. （原始内容存档于2021-03-09）. 
  21. ^ IThEO 2011 - New York - The Way Forward （页面存档备份，存于互联网档案馆） "Closing panel from IThEO 2011 （页面存档备份，存于互联网档案馆）, International Thorium Energy Organisations annual conference which was held in New York" in October 2011. (YouTube video; Hargraves' comments begin about 29:30)

外部链接

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