行波堆，了解一下？

电力18讯：

 首先，在我们说行波堆，先看看它有什么优点。

资料显示，行波堆技术就是能将贫瘠的核能原料，在反应堆内直接转化为可使用的燃料并充分焚烧利用。通俗地说，作为核反应堆的主要燃料，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。

神奇吗？

 

和其他核反应堆不同的是，行波堆技术可以直接利用被废弃的铀同位素，甚至是只经过简单转化的核电站废弃燃料，对其深度焚烧而产生巨大能量，将沉重废物负担转换为高额经济效益。

从这一点上看，其与我国不久前投产的试验快堆很相似。但行波堆的另一大优势就是无须换料及后处理，不仅可以提高运行安全性，更能极大降低核扩散风险。

2016年，60岁的比尔盖茨以78.6亿美元的身价蝉联了世界首富的桂冠。他准备怎么花这个钱呢，一个是做慈善，另一个就是担任TerraPower公司的董事会主席。

TerraPower是美国一家致力于第四代核电站技术研究和应用的科技公司，他们的主力堆型是TWR（Traveling Waves Reactor），中文多译作「行波堆」。

 

行波堆是什么原理呢？

 

行波堆：它不同于现有商业化的堆，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Pu-239，当达到一定浓度之后，形成裂变反应，同时开始焚烧在原位生成的燃料，形成行波。行波以增殖波先行焚烧后增殖，一次性装料可以连续运行数十年甚至上百年（如图1所示，图中红色代表铀-238，淡绿色代表钚-238，黑色代表裂变产物。在格子里的蓝色强度代表中子通量密度）。为维持运行，堆芯燃料部分保持常规的大小质量，通过核工程师们熟知的方式利用核能：通过蒸汽发生器将核反应产生的热量带出堆芯，转换为蒸汽的动能进而推动汽轮机做功，产生电能。除最初的启动源需要浓缩铀，其他所有燃烧都可以来自天然的材料。因此不需要分离浓缩。形象的说，行波堆像蜡烛，用火柴点燃后逐渐烧尽，并可以点燃其他蜡烛。

 

可见，行波堆是一种非常客观的核能选择。就如在美国，不仅仅有比尔盖茨一个人看好核能的未来。一家名叫Intellectual  Venture的发明&专利获取公司（后面就简称「IV」了）早就致力于TWR的研究。

 

TerraPower 的公司总部位于美国华盛顿。那里汇集了全美众多的科学家和工程师，致力于第四代反应堆、主要是TWR（行波堆）的研究和开发工作。如今在TerraPower，除了主要对TWR进行研究及推广之外，其他第四代堆型诸如熔盐堆等也在其研究范围内。

作为TerraPower主攻的技术方向，TWR（Traveling Wave Reactor）在安全性、可靠性和经济性等重要评价指标上都有诸多过人之处。

TWR - 行波堆

虽然TWR是TerraPower公司的技术，但TerraPower只是又一次的「站在了巨人的肩膀上」。他们并非TWR的开创者，而是完善TWR技术、并实现其商业化运营这一目标的实践者。
 

什么是「行波」

其实，我第一次见到Traveling Wave Reactor，或者「行波堆」这个说法的时候，内心是及其崩溃的。因为从字面上我们完全没办法了解它到底表达的是个什么意思。（行波堆？和仁波切又有什么联系吗？）

如果用白话来解释行波堆，我觉得应该是这样的：

• 所谓「行」，是指燃料棒上功率产生的位置是随时间而「移动」的，这就像蜡烛的火焰会随着蜡烛燃烧而越来越低一样。

• 所谓「波」，是指能量以“波”的形式散发出来。

   

综合起来，「行波」就是指“能量波沿着燃料棒轴向不断移动”的意思（可参考上图）。

TWR发展史

其实，TWR的雏形可以追溯到大半个世纪前（那时候的人们到底有多热爱核能啊）。在1958年，一位叫做Savelli M. Feinburg的科学家首次提出了将贫铀或天然铀维持在一种自我增殖的条件下，从而维持反应堆运行的快堆理念，这也就形成了TWR的理论基础。这个理论在20世纪70年代、90年代和21世纪前10年分别经历了几次重大的发展，并最终归入了TerraPower的怀抱。

关于整个TWR技术的极简发展历史，可以看看这个时间表：
 

反应堆概况

与已有的反应堆相比，TWR最大的不同是可以使用贫铀(U-238)甚至天然铀核作为燃料。在反应堆运行期间，燃料一直在自我持续“繁殖-消耗”(breed-burn)这一循环。这一技术也直接支撑了TWR的“一次装料，直至退役”的设计理念。也就是说，反应堆内的非核燃料可以重新被转换为可发生裂变反应的核燃料，从而消除了换料的过程，基本消除了对核燃料扩散的担忧，并具有更好的经济性。以下是TWR的主要特性：
 

除了前面提到的诸多先进性以外，TWR相对于普通轻水堆还有很多其他的优势：

• 在燃料的利用率上提高了50倍（目前核电站对核燃料的利用率仅在1%左右），极大的提高了经济效益。

• 消除了核废料处理的需要；极大减少（基本消除）了对浓缩铀的长期需要。

• 在电站运行过程中即可将贫铀转化成可作为可再次使用的燃料。从铀的天然储量来看，实际上铀会变成用之不竭的自然资源。

反应堆重要部件

TWR的堆芯在地表以下、冷却剂采用池式结构（一回路无管道）、运行压力为大气压。整个反应堆的结构如下图：
 

1. Containment Dome 安全壳

安全壳安装的是非放射性装置。在事故工况时，安全壳可以作为一道安全屏障。在未来的电站设计中，安全壳会安装于核岛厂房内，相应的又增加了一层安全屏障。

2. Reactor Vessel/Reactor Guard Vessel 压力容器和压力容器保护层

压力容器及其保护层中安装的是被液态钠淹没的堆芯及其组件。在这种池式的堆芯冷却结构中没有管道，从而消除了发生LOCA(Loss of Coolant Accident, 失去冷却剂事故)的风险。

3. Reactor Core 堆芯

TWR真正的创新就它的堆芯。堆芯的中心是一些浓缩铀(U-235)燃料棒；它们的周围，是贫铀(U-238)燃料棒。U-235在这里被用作点火装置，启动行波反应 (Traveling Wave Reaction)。这种缓慢进行的链式反应所产生的裂变平行波聚集在堆芯中央，缓慢的消耗着核原料。

4. In-Vessel Fuel Handling Machine 堆内燃料处理机

为了让裂变反应可以持续，堆内燃料处理机会定期的将堆芯中心的燃料棒与外缘燃料棒进行交换。

5. Control and Safety Rods 控制棒和安全棒

控制棒和安全棒悬吊在堆芯上方。控制棒受机械装置控制，通过插入或拔出控制棒来调节反应堆功率。安全棒只受重力控制，在事故工况下紧急掉入堆芯，迅速停堆。

6. Primary Sodium Pool 一回路钠池

一回路钠池中的液态钠将堆芯包围。TWR以自然的物理定律为基础，并结合了先进的钠冷却剂来提升热交换性能，并维持高安全系数。

7. Intermediate Heat Exchangers 中间级热交换器

中间级热交换器安全的实现了主回路钠池和二回路液态钠环路之间的热量交换。二回路负责将热量传递给蒸汽发生器。

8. Direct Reactor Auxiliary Cooling System 反应堆辅助冷却系统

反应堆辅助冷却系统在常规冷却路径不可用时启动，负责排出反应堆内衰变产生的余热。

安全特征

顺利通过安全评审，是TWR走向商用过程中的要一环。TerraPower在设计过程中广泛参考了全球各个标准体系中的安全要求，包括NRC, IAEA, IEEE和ASME的法规、标准和导则等等。

作为第四代反应堆，TWR采取了被动安全的特性来缓解事故后果。TWR的安全功能不依赖外部电源。同时，TWR的安全功能还可以在发生一些「超设计基准事故」时保证反应堆的安全。
 

TWR的一些关键的安全功能：

• 池式的一回路是一个巨大的热阱，事故工况时冷却剂升温缓慢，很大程度上降低了事故的发展速度。（想想福岛）

• TWR的金属燃料元件的能量保持特性比传统的氧化物燃料低的多，在事故工况时会释放更少的能量。（又想福岛）

• 运行时不会产生氢气。（还想福岛）

• 被动安全特性的余热排出系统依靠自然循环，不依赖电能。（再想福岛）

上面只是从3个方面介绍了TWR的整体情况，虽然不是很详尽，但我已经非常期待TWR的实验堆、以及商用堆的早日到来了，这简直是人类获取能源方式的一次革命。那TerraPower到底有没有一个时间表呢？又或者，是不是有更加革命性的创新会在未来发生？

TerraPower与TWR的未来

TWR完全定型了吗？并没有。TerraPower有一个确定的时间表吗？希望是。其实早在2008年成立伊始，TerraPower就已经为TWR制定时间表了。其中首个重要的时间是要在2020年实现600MW原型堆启动。

不过，建设核电站是个相当庞大的工程，不可能由一家公司独立完成，更何况TerraPower只是家从科研实验项目脱胎出来的科技公司。所以他们联合了各个国家的公司、实验室等优质资源，从资本、科研到供应链展开了全方位的合作。比如，这根燃料棒是在美国研发、与AREVA联合生产的：
 

而这种代号为HT9、用来制作燃料包壳的新型合金，是TerraPower与美国爱达荷州国家实验室、密歇根离子流实验室、日本神户钢铁等多方合作的产物。
 

为电站操作员提供培训的模拟机，也已经做好了（想想盖茨，也知道他们在计算和计算设备方面必定走在最前沿）：
 

我盯着这三块神奇的屏幕看了好几分钟，感觉确实配得上四代核电的名号。

虽然TerraPower显得颇有信心，但个人认为工期这个事情，你真的不能太认真。毕竟核电项目实在是过于庞大，而且设计、建造的要求又及为苛刻。所以哪个倒霉环节出了点问题，导致Deadline不保也是核电建设中的常事儿。所以，TerraPower联合了全球核电界最靠谱的国家，这不

 

2015年9月，TerraPower和中核集团签订了谅解备忘录，双方确定在中国合作建造一座行波堆，有望在2023年建成。这会是全球第一座TWR吗？我们拭目以待。

 

TWR相比当代的轻水堆，从经济性到安全性上都有它固有的优势。但反应堆设计是融合了众多学科的庞大工程，其中的不确定性也是司空见惯。

 

所以，你怎么看行波堆呢?