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【核电】新型反应堆：行波堆11-09-29 作者： 编辑：张聪敏行波堆（TWR）是一种通过嬗变过程把可增殖核材料转变为可裂变核燃料的新型反应堆。与其它类型的快中子及增殖反应堆不同，它不需要或者仅仅需要少量的浓缩铀，就可以燃烧贫化铀、天然铀、轻水反应堆卸出的乏燃料或者是前面这几种材料的混合物。到目前为止，作为核电反应堆的主要燃料，天然铀中只有约0.7%的同位素能被直接利用，但是，利用行波堆技术，铀资源的30%-40%，甚至60%-70%可以物尽其用。也就是说，和其它核电反应堆不同的是，行波堆技术可以直接利用现在被废弃的铀同位素，甚至是只经过简单转化的核电厂废弃燃料，对其深度焚烧而产生巨大能量，将沉重的废物负担转换为高额经济效益。行波堆的发展历史行波堆的想法可追溯到20世纪，1958年Saveli Feinberg首次提出了反应堆堆芯自增殖的概念，并称之为“breed and burn”反应堆。Michael Driscoll对这一概念进行了更深入的研究，并在1979年发表了相关的论文。此后，1988年Lev Feoktistov，1995年EdwardTeller和Lowell Wood，2000年Hugo van Dam以及2001年HiroshiSekimoto也先后发表了相关的研究论文。迄今为止，全球还没有建造真正的TWR。但是2006年，Intellectual Ventures成立了一家名字叫做TerraPowerLLC的子公司，对这种行波堆的概念进行工程化设计和经济性评价。TerraPower设计了低功率到中等功率（30万千瓦）到大功率（约100万千瓦）的几种不同的级别的反应堆，开发出了一个实用的设计。IntellectualVentures公司已获得了该技术的专利，现在正和一家反应堆制造商讨论专利许可事宜。尽管仍有一些基本的设计问题需要加以解决，如反应堆如何在事故条件下运行的精确模型等，但有关方面认为，一个商业化反应堆可在2020年初开始运行。IntellectualVentures公司认为，在核工业全面复兴和核燃料供应紧张的情形下，行波堆设计沿着这条路走下去一定会吸引更多人的目光。行波堆的特点（1）节约核燃料TWR可以在建造时就装上足够量的贫化铀，这些贫化铀足够反应堆满负荷运行60年，甚至更多。由于TWR的高燃耗、高热效率和高燃料密度，对于每单位的电能，它所消耗的铀要远远小于轻水反应堆。这些特性在提高燃料增殖能力的同时，还大大地降低了燃料和核废料的体积。作为原料，贫化铀供应量充足。目前，美国大约有70万吨的贫化铀库存，这些贫化铀都是铀浓缩工业过程的副产品。据估算，如果采用TWR技术，它们可产生100万亿千瓦时的电力供应本国使用。TerraPower公司的科学家还估计，如果广泛应用TWR，全球的贫化铀库存能够供全世界80%的人口以美国人 均能耗的水平维持100万年。从原理上来说，TWR能够燃烧来自轻水堆的乏燃料，这是可能的，因为轻水反应堆的乏燃料的成分里大多数也是贫化铀。再者，在TWR的快中子能谱中，裂变产物的中子俘获截面比其在轻水堆的热中子能谱中低几个数量级。当然，要实现真正的应用，还需要在技术上的进一步研究。TWR同 样能够重新使用它们自己的燃料。在TWR中用过的燃料仍然有较高含量的可裂变物质。这些物质不需要分离，直接重新成型封装，即可用作启动其它TWR的燃 料，这样也就不再需要浓缩铀工艺了。行波堆通过对抑制堆芯燃料的分布和运行，核燃料可以从一端负级启动点燃，裂变产生的多余中子将周围不能裂变的U-238转化成Np-239，当达到一定浓 度之后，产生裂变链式反应，同时开始焚烧就地生成的燃料，形成行波。行波以增殖波先行、焚烧波后续，一次性装量可以连续运行数十年甚至上百年。为维持运行，堆芯燃料部分保持常规的大小质量，按正常方式通过核能，将热量带出堆芯，产生蒸汽，其余部分为燃尽或待增殖的燃料。除最初的启动源需要浓缩铀，其它所有燃料都可以来自天然的材料或轻水堆的乏燃料，因此不需要分离浓缩。在实际工程化过程中，行波堆可以选择使用定期移动燃料、增殖焚烧波的空间固定处理方式。（2）防止核扩散对反应堆的核燃料进行浓缩及定期打开反应堆补充核燃料，是核电厂运行中最繁琐和昂贵的步骤。用过后的核燃料从反应堆中取出后，必须对之进行再处理以回收可用材料。当行波反应堆运行时，其堆芯逐渐将在热堆中不参与裂变的材料转变成它所需要的核燃料。Intellectual Ventures公司的核计划部经理约翰基勒兰德称，基于如此设计的核电反应堆在理论上可以运行两百年，而不用再次加注核燃料。基勒兰德的目标是利用目前的核废料来运行反应堆。常规热中子反应堆使用铀-235，很容易裂变并产生连锁反应，但铀-235既稀缺又昂贵，必须在特殊的浓缩工厂从更为常见的非裂变材料铀-238中分离出来。每隔18个月至24个月，就必须打开反应堆，每次从中取出数十个乏燃料组件，用新核燃料组件予以替换，以供应所需的裂变铀。这就衍生出了核扩散问题。但是，行波反应堆只需薄薄的一层铀-235，其堆芯中大部分为铀-238。麻省理工学院核燃料循环项目执行主任查尔斯福斯伯格说，该设计提供了核燃料循环的最简单的可能，这样全球只需一个铀浓缩工厂就够了。该反应堆的诀窍在于自身就能将铀-238变成一种可用核燃料钚-239。常规反应堆也能产生钚-239，但是必须取出用后的乏核燃料，将之切断并用化学方 法提取钚，这是一个昂贵的过程，也是制造原子弹的一个主要步骤。行波堆产生出钚，并立即加以使用，从而消除了被专用于生产核武器的可能性。一个不到1米的活性区域沿着堆芯运动，就能给前方不断地提供新的钚核燃料。通过使用行波堆，可以极大地简化、减少燃料循环中的许多步骤，可以逐步降低复杂的产能，以及复杂昂贵的核燃料体系。所以行波堆的路线，不仅可以提前实现核能大规模可持续发展，同时还极大降低了核扩散的风险