泰拉能源的行波堆能成为“电力的奇迹”？

美国核协会(ANS)最近向读者推荐泰拉能源公司(TerraPower)的行波堆设计，说它的纯铀燃料组件和堆芯结构设计，“使其成为更安全的反应堆”。所指文章是迈克尔•科奇奥尔(Michael Koziol)的评论，发表在《IEEE纵览》专题报告“专栏”上，题目是《泰拉能源的核反应堆可为21世纪提供动力》。但通读全文，似乎还有些“异议”。鉴于中美两国政府支持在中国先建个实验堆，国内相关人士也感兴趣，故译出，供大家思考。

异想天开：钠冷堆的表现乏善可陈，但泰拉能源相信可以建个正常运行的反应堆。测试液态钠通过反应堆燃料组件流动，至关重要。水与毒性金属共有许多相同的流动特性，是个可行的试验替代品。

行波堆和其他先进堆设计可以解决我们对化石燃料的依赖

乒乓球并不注定是音速2马赫的比赛。在两倍音速下，乒乓球能直接在球拍上打个洞。泰拉能源公司(TerraPower)是一家设计先进堆的创业公司，它的工程师们使用压空炮向参观人员证明这一点。这个特技生动地展示了核裂变的关键概念：高速飞行的小物体撞击看似不动的物体，会产生巨大的影响。

或许，这里还有个更大的问题，即一小型快速发展的创业公司，会对多年来一直认为“岿然不动”的电力行业产生巨大的冲击。

在由气候变化定义的世界里，许多专家希望未来的电网完全由太阳能、风能和水力资源提供动力。然而，几乎没人预计到，清洁能源网很快就能在未来几十年大幅削减温室气体排放。太阳能和风能发电的增长速度比其他任何类型资源都快;然而根据《21世纪可再生能源政策网络》的数据，2015年它们在全球主要能源消耗中的占比不到2%。

许多专家说，为通向未来清洁绿色网络架起一座桥梁，我们必须依靠核裂变能源。在无碳能源中，只有核裂变堆有提供高水平电力的业绩记录，持续可靠，不受天气影响，也与位置无关。

然而，自20世纪中叶第一批核电机组并网发电以来，商业核反应堆几乎没有变化。现在，世界上447座运行发电的反应堆中，相当一部分证明它们在老化，有不足之处，而且在七年前日本福岛灾难之后，核能处于不确定状态。2005-2015年，全球核能在能源消耗中的占比从5.73%降至4.44%。美国南卡罗来纳州放弃了两个在建的大型反应堆项目，英国欣克利角C反应堆的建成成本盘旋上升，现预计耗资203亿英镑(274亿美元)，加剧了人们的不安。

其他地方还有某些核能激情。中国38座核反应堆装机总量33GWe，计划2024年增加到58GWe。目前，全球约50座核反应堆在建。这些反应堆，加上计划中的另外110座，将为世界电网贡献大约160GWe，每年避免CO2排放约5亿吨。要想削减运输行业的温室气体排量，就得废置1亿多辆汽车，或者大约法国、德国和英国所有的客车。

在这种背景下，美国的几家初创公司正在推动新堆设计，说要解决核能的主要缺陷。在美国麻省坎布里奇，名为Transatomic Power的创业公司正在开发一种反应堆，靠液态铀的氟化铀—氟化锂混合物运转。在丹佛，Gen4 Energy公司正在设计更小的、模块化的反应堆，可迅速部署在偏远地区。

核心硬件试验：全尺寸堆芯实验组件超过三层楼高。

在这群核创业公司里，总部设在华盛顿州贝尔维尤的泰拉能源公司(TerraPower)特别“引人注目”，因为它财力雄厚，而且与“渴求”核能的中国有联系。开发的反应堆部分资金来自比尔•盖茨，他是该公司的董事长。为了证明它的设计可行，TerraPower已准备就绪，将在明年与中国核工业集团公司合作，破土动工建造一试验堆。

为了减少对煤炭的依赖，中国正努力在2020年之前增加250亿瓦以上可再生能源和核能的产能。TerraPower公司总裁克里斯•莱韦斯克(Chris Levesque)认为，这对更安全、更节能的核反应堆是个机会。他说，这种反应堆的燃料不容易用于核武器，而且该公司声称它的反应堆将产生很少的核废物。更重要的是，即使反应堆无人值守，也不会发生灾难性的事故。对于莱韦斯克来说，它是完美的、免除世界灾难的反应堆。“没有核能，不能真正地减少碳排放量，使10亿人摆脱能源贫困。”

TerraPower的核反应堆是60年前设计的新变种，提出构想的是现已被遗忘的俄罗斯物理学家萨维利•范伯格(Saveli Feinberg)。二战之后，随着美国和苏联囤积核武器，某些思想家想知道，除战争武器之外，原子能是否有别的用途。1958年在日内瓦举行第二次和平利用原子能国际会议期间，范伯格提出有可能使建造的反应堆生产“自己”的核燃料。

范伯格设想了我们现在所谓的“增殖-燃烧堆”。早期的提议是通过燃料源核裂变“波”缓慢推进，像一支雪茄燃烧几十年，随着核反应穿过堆芯，产生并消耗其燃料。但在原子能全盛时期，范伯格的设计没有竞争力。铀储量丰富，其他反应堆更便宜，更容易建造，而且放射性废物处置的艰巨任务还在几十年之后。

“增殖-燃烧”概念一直被“束之高阁”，直到20世纪90年代，氢弹背后的推动者爱德华•泰勒(Edward Teller)和天文学家洛厄尔•伍德(Lowell Wood)将它重新唤醒。2006年，伍德成了高智发明公司(Intellectual Ventures)的顾问，而高智发明是TerraPower的母公司。当时，高智发明正在探索一切可能，如核裂变、核聚变、可再生能源，作为潜在的减排方案。因此，伍德提出的行波堆(TWR)，就是增殖-燃烧堆的“子类”设计。TerraPower公司首席技术官约翰•吉尔兰德(John Gilleland)说，“我预计几个月内就会发现某些问题，然后把重点放在可再生能源上”。“但我没有发现任何问题”。

这并不是说伍德和泰勒设计的反应堆完美无暇。吉尔兰德说，“他们在90年代提出的设计非常优雅，但并不实用”。然而它给TerraPower的工程师们一个起点，如他们能使设计的反应堆正常运转，则可解决裂变堆现有的全部缺点。

其他人则不那么乐观。美国能源与环境研究所所长阿尔琼•梅基耶尼(Arjun Makhijani)说，“行波堆存在多方面的问题”。“也许可能出现一种神奇的新技术，但愿不必依赖魔术”。梅基耶尼说，在堆芯内创造燃料没有额外的困难，但维持稳定的核反应则很困难。并且指出，泰拉能源用来冷却堆芯的技术，过去大多是失败的。

伍德和吉尔兰德领导的泰拉能源团队，首先利用计算机模型解决了这些挑战。2009年，他们开始构建先进堆模型接口(ARMI)，就是模拟深度可定制反应堆的“数字工具包”。有了ARMI，这个团队可以规定反应堆每个部件的尺寸、形状和材料，然后进行广泛的试验。最后，他们脱离了他们相信是实用的、60年前范伯格首次提出的增殖-燃烧的TWR模型。据莱韦斯克回忆，他加入TerraPower，当时这个团队给他提供的惊人新闻是，“嘿，我们认为我们现在可以设计TWR了。”

燃料的思考：准备进行验证实验的“假”燃料细棒(不含放射性铀)。

要理解物理学家几十年发展TWR所处困境，首先要考虑相对于天然铀，今天反应堆所用的浓缩铀，其铀的易裂变同位素(U-235)与更稳定的铀同位素(U-238)之比高得多。

当一个经过的中子击中一个U-235原子，足以使原子分裂成钡和氪的同位素，并剩下三个中子(就像高速乒乓球穿过坚实的桨果)。当足够多的中子撞击足够多易裂变的铀原子，产生“自持”的核反应时，就达临界状态了。今天的反应堆达临界状态的唯一办法，就是燃料中有大量的U-235原子。

与此相反，TWR能使用贫铀，其U-235的浓度低得多，而且在无辅助的情况下无法达临界状态。TerraPower的解决方案是将169根固体铀燃料细棒构成的燃料组件呈六边形布置。核反应开始时，U-238原子吸收多余的中子变为U-239，几分钟内衰变为鎿-239，然后再衰变为Pu-239。Pu-239被中子击中，释放2-3个中子，足以维持链式反应。

Pu-239裂变也释放大量的能量，但它毕竟是现代核武器中使用的主要同位素。然而莱维茨克说，产生的Pu-239并不能使反应堆成为核扩散的危险品，而且“恰恰相反”。Pu-239不会在TWR中累积起来，杂散的中子几乎会立即使Pu-239分裂成一系列的裂变产物。

钠波冲浪

换句话说，正像范伯格几十年前想象的那样，这个反应堆在燃烧前就增殖了高度易裂变的钚燃料。然而，“行波”标签与雪茄式反应堆缓慢燃烧略有不同。在TWR内，有个高架吊车系统，很像游乐场大型、精确的爪机，会把堆芯某处的燃料细棒移进移出，维持堆芯环状部分的核反应。

为了发电，TWR使用的系统比现在的反应堆复杂得多。现代反应堆利用堆芯巨大热量“煮”水，驱动汽轮机产生可用的电力。在TWR中，热量靠循环的液态钠流吸收，传到堆芯之外，再使水沸腾，推动汽轮机发电。

但梅基耶尼说，其中有个大问题。熔态的钠可比水更多地从堆芯移出热量，而且对金属管道的腐蚀实际上比热水更小。但钠是个剧毒金属，遇到氧气，极端易燃。他说，“早就证明，钠冷却问题是致命的弱点”。

梅基耶尼指出，两个钠冷堆可以作为该计划固有困难的典型例子。在法国，超凤凰快堆由于钠经常泄漏入燃料储罐，10年运行的大部分时间挣扎着，容量因子难以超过7%。更令人担忧的是日本的文殊快堆，达临界后不到一年就关闭了，因为震动，液态钠回路管道破裂，钠与空气中的氧接触，引起一场大火。梅基耶尼说，“有些人工作得很好”。但“有些人的工作很糟糕，对其他人则是经济灾难”。

基础设施：工程师准备一全尺寸的假燃料细棒束，以实验它在整个运行寿期内的性能特征。

现今，TerraPower的实验室充满了燃料细棒和反应堆部件。除此之外，该团队还在测试液态钠如何流经反应堆的管道，如何腐蚀这些管道，甚至堆芯各种部件经几十年高温，不可避免的扩张，即过去困扰钠冷堆的所有问题。TerraPower的工程师们将在建造他们的实验堆时，利用从这些测试结果学到的东西，他们将会查明他们的设计是否真实有效。

TerraPower堆的安全性，部分源于“固有”的设计因素。当然，所有的动力堆设计上都有各种安全系统。每个系统都有个应对时间，表明发生灾难之前，在没有人为干预的情况下，受损的反应堆可以坚持多久。20世纪80年代以来，人们一直吹嘘所谓的“固有安全堆”理念，但TerraPower的目标是，依靠基础物理提供无限应对时间的反应堆。

TWR的设计，突出核反应堆相同安全系统标准中的某些系统。在任何反应堆事故情况下，用吸收中子材料镉精心制作的控制棒垂直跌入堆芯，防止连锁反应失控，否则可能导致核心“熔毁”。这种停堆称为紧急停堆。

紧急停堆很短时间内几乎把裂变率削减到零，但余热仍然可能造成灾难。在切尔诺贝利，紧急停堆期间某些燃料棒破碎，致使反应堆继续熔毁。在日本福岛，冷却剂系统破裂，无法足够快地从堆芯传输热量。这就是泰拉能源团队为什么想找到一种反应堆，即使安全系统故障，仍然能自然平静下来的原因。

TerraPower的反应堆保持冷却，因为它的纯铀燃料细棒从堆芯传出热量，比现在典型的反应堆燃料棒更有效。即使这不足以防止堆芯熔毁，该公司还有一张王牌。正如吉尔兰德所述，燃料细棒过热膨胀，恰好足以使中子滑过燃料细棒，不会击中更多Pu-239，从而慢化核反应，并自动地冷却堆芯。

由于TWR的燃料更有效地燃烧，TerraPower团队声称这使产生的核废物较少。该公司说，装机容量1.2GWe的反应堆，每GW-年产生的核废物只有5公吨，而现在典型的反应堆每GW-年产生21公吨核废料。如果这个数字是正确的，那么这个堆可大幅度减少产生的核废物量，解决还在“闹腾”的处置问题。这种核废物，几千年内仍有很强的放射性。进入核时代60多年，只有芬兰和瑞典在深地处置库方面取得重大进展。即使这样，在本世纪20年代之前仍然不能准备就绪。

泰拉能源计划它的试验堆明年在中国破土动工。如果一切顺利，这个反应堆将在2020年代中期投入运行。但是，即使泰拉能源的反应堆取得巨大成功，该公司还需要20年甚至更长的时间，部署大量的行波堆。因此，在接下来二三十年里，世界上的公用事业公司将别无选择，只能依靠化石燃料和常规核反应堆可靠、全天候地供应电力。

裂变可能不是最终答案。在经历了几十年的“总是30年”之后，核聚变可能最终取得成功。随着储能和其他技术的发展，社会将能够更加依赖可再生能源。但某些分析人士坚称，在未来几十年里，核裂变的可靠性和零排放，是承担世界经济快速增长重负的最佳选择。

加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的前副主任简•朗(Jane Long)说，“我认为，我们不应该把本世纪中叶的解决方案作为永久性的解决办法”。“如果我负责所有的事情，我想说，有个从阳光获得所有电力的长期计划，就足够了。在短期内，我们不应讨论弃核之类有重大影响的事情。”

简•朗说，随着全球变暖，气候变得越来越不稳定，支持核能的理由将会变得更加明显。“必须使人们意识到我们急切需要核能。”

这个专题系列报告特别强调加拿大马尼托巴大学著名的退休教授，皇家学会成员斯米尔(Vaclav Smil)的观点。他认为，“任何依靠液态钠热循环几十年的核装置，既不易于建造，也不易于运行”。“与占主导地位的压水堆相比，行波堆有许多明显的优势，包括安全运行和使用乏核燃料的能力。但是，开发液态钠冷却快增殖堆的经验表明，将一个吸引人的概念转化为商业上可行的设计，是多么具有格外的挑战性。多年前，美国、法国和日本的实验性增殖堆原型经过几十年的发展和数十亿美元的花费之后，全都关闭了”。

历史的经验值得注意，泰拉能源的行波堆设计在相关方面阐述的新意不多，实验、部署的安排已经和十多年前的“想象”大不相同。即使明年能在中国破土动工建造个实验堆，一切如愿，可大量部署，还有其他能源技术的发展和经济上的竞争。要用科学、实践说话，只有安全、经济、环境友好的能源资源才会有美好的前景。

参考资料：

Michael Koziol, TerraPower’s Nuclear Reactor Could Power the 21st Century, IEEE Spectrum, 1 Jun 2018

Vaclav Smil, A Critical Look at Claims for Green Technologies, IEEE Spectrum, 3 Jun 2018