遙遠(yuǎn)的行波堆

1958年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的范伯格在國(guó)際和平利用原子能會(huì)議上提出了“增殖-燃燒反應(yīng)堆”的概念，主要物理過程為可轉(zhuǎn)換材料(如238U)在反應(yīng)堆內(nèi)的“原位”增殖和焚燒，將整個(gè)閉式燃料循環(huán)在同一個(gè)堆內(nèi)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化核燃料循環(huán)，提高一次通過模式的鈾資源利用率。

　由于該增殖焚燒過程通常有增殖行波和焚燒行波的物理圖像，被廣泛稱為“行波堆”。其具體實(shí)現(xiàn)方式又可以進(jìn)一步分為行波堆和駐波堆兩種。如果行波堆能夠研制成功并投入使用，它們提供的能量夠地球上的每個(gè)人按照美國(guó)的人均能耗用上1000年。對(duì)此，范伯格表示：如果這個(gè)方案可行，今后我們只需要“每個(gè)行星有一個(gè)濃縮廠”，即只需要濃縮鈾來點(diǎn)燃行波堆，用現(xiàn)有的乏燃料和天然鈾就可以提供全世界所有人使用千年的能源。

　可是，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，行波堆就像核聚變一樣遙不可及，只能是一個(gè)純理論研究。行波堆的燃耗要達(dá)到30%以上，燃料包殼輻照要達(dá)到500dpa(材料輻照性能)以上，而在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室條件下，材料輻照性能也達(dá)不到一年百個(gè)dpa。相對(duì)而言，當(dāng)時(shí)的水堆技術(shù)，技術(shù)可行性更高，更具備工業(yè)應(yīng)用條件，世界核電便以此種技術(shù)大規(guī)模發(fā)展起來。行波堆就這樣被遺忘在工業(yè)應(yīng)用的門檻之外。

　隨著世界核電的發(fā)展，一些問題日益凸顯：核燃料的來源問題，乏燃料后處理的問題，以及核擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)等。

　乏燃料中包含有大量的放射性元素，具有放射性，如果不加以妥善處理，會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)境與接觸它們的人的健康。目前國(guó)際上對(duì)乏燃料的處置辦法有兩種：一次通過和進(jìn)行乏燃料后處理。

　進(jìn)行乏燃料后處理，也有兩種方式：一種是乏燃料出堆后，通過后處理分離出鈾、钚，鈾、钚可以另作他用。分離出鈾、钚后的乏燃料經(jīng)過幾萬年的存放后，放射性毒性可以減低到等效天然鈾水平。另一種是，除分離出鈾、钚以外，進(jìn)一步分離出次量錒系核素，這就是先進(jìn)燃料循環(huán)方式。次量錒系核素里有部分核素的放射性半衰期非常長(zhǎng)，是乏燃料中除钚之外最主要的長(zhǎng)期放射性毒性來源。把所有錒系元素分離出來后，剩余的乏燃料只需要儲(chǔ)存幾百年就可以降低到等效天然鈾的水平。雖然很多國(guó)家的后處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，甚至達(dá)到了工業(yè)規(guī)模，但到目前為止，主要仍是針對(duì)壓水堆乏燃料后處理，沒有一條線是能夠用于快堆及閉式燃料循環(huán)工業(yè)應(yīng)用的，國(guó)家級(jí)的完整閉式燃料循環(huán)體系并沒有真正建設(shè)起來。同時(shí)，能夠分離出钚的后處理技術(shù)是敏感技術(shù)，后處理技術(shù)在降低了乏燃料的毒性的同時(shí)，也帶來了核擴(kuò)散的隱憂。

　以美國(guó)為代表的國(guó)家對(duì)現(xiàn)有的后處理技術(shù)并不滿意，他們認(rèn)為，現(xiàn)有的后處理技術(shù)要耗費(fèi)巨大的人力、物力、財(cái)力，且需要特別長(zhǎng)的周期，在工業(yè)應(yīng)用上并沒有很大的前途，還不如等到技術(shù)進(jìn)步得足夠快，找到更適合于工業(yè)應(yīng)用的辦法后再處置。他們主要采用“一次通過”的方式，即核燃料焚燒后，從堆內(nèi)卸出，深埋儲(chǔ)存，以待日后后處理技術(shù)更加先進(jìn)時(shí)再進(jìn)行處理。

　在核電發(fā)展的困境中，美國(guó)泰拉能源公司將目光投向了看起來遙不可及的行波堆技術(shù)，積極開展相關(guān)研究。

　夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

　作為這個(gè)世界上最富有的人之一，比爾˙蓋茨曾經(jīng)表示，他有三個(gè)理想：一是每個(gè)人有一臺(tái)電腦，都用上windows系統(tǒng);二是消滅艾滋病、結(jié)核病和瘧疾，每個(gè)人有平等的醫(yī)療機(jī)會(huì);三是讓窮人都能夠用上清潔經(jīng)濟(jì)的電。為了實(shí)現(xiàn)他的理想，比爾 ˙蓋茨做出了不懈努力。2006年，在評(píng)估了所有已在理論上被研究和討論過的核反應(yīng)堆類型后，比爾˙蓋茨選擇了行波堆，并創(chuàng)立了泰拉能源公司來發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)。

　行波堆可以以現(xiàn)有的貧鈾、乏燃料回收鈾或者天然鈾為燃料，這就解決了燃料來源問題、減輕了乏燃料的存儲(chǔ)問題;同時(shí)，在理想狀況下，行波堆10年才需要加一次轉(zhuǎn)換增殖燃料，不需要開展后處理，杜絕了核擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。如果行波堆能夠變成現(xiàn)實(shí)，不但阻礙核能發(fā)展的核心問題化為烏有，困擾人類多年的能源問題亦能同時(shí)得到解決。

　2006年，泰拉能源首席執(zhí)行官、美國(guó)應(yīng)用物理學(xué)家季約翰表示：我們認(rèn)為行波堆這個(gè)概念很有潛力，但不是很快能夠?qū)崿F(xiàn)的。泰拉能源的任務(wù)是開展嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)和工程開發(fā)，把行波堆的概念完善到一定程度，然后由大型核能企業(yè)繼續(xù)做商業(yè)開發(fā)。

　作為一個(gè)概念，是否能夠成功建造第一個(gè)反應(yīng)堆是決定行波堆未來發(fā)展的關(guān)鍵一步。2010年，比爾˙蓋茨接受麻省理工《科技創(chuàng)業(yè)》雜志采訪時(shí)表示，泰拉能源公司不計(jì)劃自己籌錢建造行波堆，“會(huì)與一些國(guó)家和大型公司合作來建造”。

　比爾˙蓋茨認(rèn)為，在亞洲建造行波堆的可能性要比北美或者歐洲地區(qū)更高。在世界核能新建電站中，中國(guó)占據(jù)了40%的領(lǐng)先地位，他“相信中國(guó)的核電項(xiàng)目將成為其他國(guó)家負(fù)責(zé)任地發(fā)展核電的一個(gè)榜樣”。2009年底，比爾˙蓋茨開始了中國(guó)的行波堆推介之旅。

　2009年11月，比爾˙蓋茨參觀中核集團(tuán)原子能院的實(shí)驗(yàn)快堆并發(fā)表主題演講，他提到，如果行波堆的夢(mèng)想能夠?qū)崿F(xiàn)的話，美國(guó)現(xiàn)有的貧鈾材料可以供一百座一百萬千瓦的行波堆運(yùn)行100年。

　對(duì)核能發(fā)展來說，這是一個(gè)激動(dòng)人心的數(shù)據(jù)。根據(jù)我國(guó)核電發(fā)展規(guī)劃，到2020年，我國(guó)在運(yùn)裝機(jī)將達(dá)到5800萬千瓦，屆時(shí)對(duì)我國(guó)鈾資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備和乏燃料安全管理都將面臨很大挑戰(zhàn)。如果我國(guó)核能發(fā)展積累的貧鈾和乏燃料能夠作為行波堆的燃料，那我國(guó)核能大規(guī)?？沙掷m(xù)發(fā)展將不再是夢(mèng)想。

　將一個(gè)概念變成現(xiàn)實(shí)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，要經(jīng)過無數(shù)的探討、論證、修改。泰拉能源的行波堆研究自2006年起，隨著研究的深入開展，技術(shù)方案不斷更新，行波堆經(jīng)歷了從理想行波堆概念到商業(yè)行波堆型號(hào)的發(fā)展。

　“行波堆(TWR)是泰拉能源公司對(duì)原位增殖焚燒快堆的稱呼，現(xiàn)在開發(fā)的實(shí)際是駐波堆方案，這是行波堆概念結(jié)合工業(yè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性的一個(gè)拓展?？紤]到技術(shù)的延續(xù)性，泰拉公司當(dāng)前的技術(shù)路線首先從金屬燃料常規(guī)快堆方案出發(fā)，首先建成可進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)的原型行波堆(TWR-P)。通過在原型行波堆進(jìn)行充分的試驗(yàn)和材料的輻照測(cè)試，逐步進(jìn)行技術(shù)積累，最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)駐波堆(TWR-C)的型號(hào)研發(fā)并推廣。但是，由于目前行波堆的部分關(guān)鍵系統(tǒng)與設(shè)備的成熟度較低，仍存在一系列嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是商業(yè)行波堆燃料材料的技術(shù)開發(fā)與測(cè)試驗(yàn)證存在較大技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)?！痹幽茉盒胁ǘ阎忻篮献黜?xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人喻宏介紹。

　在泰拉能源的計(jì)劃表上，2015年-2025年為原型堆的設(shè)計(jì)、研發(fā)和建造階段，在完成原型堆的設(shè)計(jì)后，在其建造、調(diào)試和早期運(yùn)行期間，將完成商用行波堆的詳細(xì)設(shè)計(jì)和策劃。

　為了提高行波堆的現(xiàn)實(shí)可行性，泰拉能源將行波的概念與鈉冷快堆相結(jié)合，提出了點(diǎn)火區(qū)與增殖區(qū)組件倒料的策略，在充分利用已經(jīng)相對(duì)比較成熟的快堆技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過在布料和倒料策略上的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)行波并提高燃料利用率。目前泰拉能源和中核集團(tuán)準(zhǔn)備合作研發(fā)的600MW的原型堆TWR-P，實(shí)質(zhì)上是一種有倒料操作的金屬燃料鈉冷快堆。

　在推進(jìn)TWR-P原型堆的過程中，中核集團(tuán)原子能院發(fā)揮了重要作用。行波堆，與傳統(tǒng)鈉冷快堆有很多共性技術(shù)，很多系統(tǒng)、設(shè)備，包括用鈉，都是相通的，不同的在于堆芯和燃料。作為中方的行波堆總體技術(shù)負(fù)責(zé)單位，原子能院是中美行波堆聯(lián)合技術(shù)評(píng)估和獨(dú)立技術(shù)評(píng)估的主要承擔(dān)者和主要的技術(shù)評(píng)估發(fā)言人。在和美國(guó)行波堆團(tuán)隊(duì)不斷溝通和交流的過程中，原子能院技術(shù)人員提出了很多建設(shè)性意見。

　行波堆與普通鈉冷快堆最大的差別在于核燃料在堆內(nèi)需要經(jīng)歷數(shù)十年的輻照，因此其核燃料在堆內(nèi)的服役性能研究就顯得尤其重要。在2015年4月舉行的行波堆聯(lián)合技術(shù)評(píng)估專家審查會(huì)上，泰拉能源透露，他們已經(jīng)通過美國(guó)愛德華國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、法國(guó)阿?，?、美國(guó)韋里迪安公司完成了行波堆燃料測(cè)試組件的設(shè)計(jì)、加工、燃料棒束的流量試驗(yàn)，在俄羅斯BOR60正在進(jìn)行材料輻照測(cè)試。

　今年8月31日，中核集團(tuán)組織了行波堆獨(dú)立技術(shù)評(píng)估報(bào)告專家評(píng)審會(huì)，會(huì)議邀請(qǐng)潘自強(qiáng)、葉奇蓁、阮可強(qiáng)、徐銤等院士在內(nèi)的20余名專家，原子能院、核動(dòng)力院、核電工程公司等單位的20余名專業(yè)人員參加。專家們認(rèn)為：行波堆技術(shù)是提高鈾資源利用率實(shí)現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展的可選堆型，美方提出的原型堆—商業(yè)堆的技術(shù)路線是合理可行的。

　攜手打造行波堆

　在中美正式合作以前，雙方已經(jīng)各自開展了很多工作，并進(jìn)行了多次會(huì)談。

　自2010年開始，原子能院對(duì)行波堆開展了大量研究工作。

　機(jī)會(huì)只會(huì)給有準(zhǔn)備的人，由于中核集團(tuán)在快堆技術(shù)方面無可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì)，泰拉能源遞出了橄欖枝。

　2013年年底，中美兩國(guó)政府簽署關(guān)于行波堆合作的執(zhí)行計(jì)劃;2014年，在中美合作協(xié)議中，兩國(guó)授權(quán)中核集團(tuán)和泰拉能源就行波堆開展合作。這兩個(gè)協(xié)議的簽署，標(biāo)志著中美關(guān)于行波堆技術(shù)的合作正式開展。

　不同于引進(jìn)項(xiàng)目，中美擬在行波堆領(lǐng)域開展的合作，是中美兩大國(guó)在高科技領(lǐng)域的聯(lián)合開發(fā)工作，計(jì)劃由中美雙方共同出資金、出技術(shù)、出人才，完成從科研到工程階段的技術(shù)研發(fā)和設(shè)計(jì)，共享知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在此基礎(chǔ)上，完成原型堆項(xiàng)目的工程建設(shè)，和未來面向全球的商業(yè)化推廣。

　在2015年8月底，中核集團(tuán)組織的行波堆獨(dú)立技術(shù)評(píng)估報(bào)告專家評(píng)審會(huì)上，與會(huì)專家認(rèn)為：與美方開展行波堆合作符合中國(guó)及中核集團(tuán)的核能發(fā)展戰(zhàn)略方向，與目前中國(guó)開展的快堆技術(shù)路線可以相輔相成、相互促進(jìn)，有利于促進(jìn)核能產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展。

　專家們指出了金屬燃料快堆燃料的先進(jìn)形式和發(fā)展方向。通過國(guó)際合作開展金屬燃料快堆研發(fā)、關(guān)鍵設(shè)備研制和原型堆項(xiàng)目建設(shè)有助于加快以傳統(tǒng)快堆為主的第二步核能戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)，縮短戰(zhàn)略進(jìn)程。

　除此之外，由于行波堆的防核擴(kuò)散性，與其他先進(jìn)核能系統(tǒng)相比，行波堆是中核集團(tuán)和泰拉能源一起打造的、最有可能向第三世界國(guó)家推廣的核電項(xiàng)目，具有重要的商業(yè)價(jià)值。

　如今，泰拉能源公司目前已完成原型行波堆堆芯的部分概念設(shè)計(jì)，正在計(jì)劃進(jìn)入工程設(shè)計(jì)階段，有望在2023年前成功建造行波反應(yīng)堆的原型堆。