行波反應爐

2017-12-14

行波反應爐

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行波反應爐（英語：TWR, Traveling wave reactor）是一種通過嬗變將不可裂變材料轉變為可裂變核材料，接下來利用這些材料的裂變來發電的一種反應爐設計。行波反應爐屬於鈉冷快中子反應爐，在設計上屬於第四代反應爐。[1]和其他快中子反應爐和增殖反應爐不同的是，行波反應爐可以直接使用貧化鈾、天然鈾、釷和輕水堆產生的核廢料作為燃料。理論上，行波反應爐甚至可以使用其自身產生的乏燃料作為燃料。如果行波反應爐普及，就可以免除鈾濃縮和乏燃料再處理等環節，降低核能的成本和環境風險。在行波反應爐中，裂變集中發生在裂變區，而不是整個堆芯。這個裂變區會從堆芯中心向外擴散，就像水波一樣向外運動，行波反應爐由此得名。理論上，一次裝料後，行波反應爐可以自持運行數十年，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應爐非常困難。[2]目前尚未有這種反應爐投入商業運行。

歷史

1958年，塞維利·范伯格（Saveli Feinberg）提出了一種可以在堆芯內自己「製造」燃料的反應爐並稱之爲「增殖-燃燒堆」。[3] 這是行波反應爐的雛形。自此之後一直有人斷斷續續的研究這種反應爐，[3][4][5][6][7][8]但都限於理論和設計層面，並沒有人將這種理念付諸實施。90年代中出現了可能成為現實的行波反應爐設計。[9]

2006年，高智發明公司（Intellectual Ventures）成立了一個子公司，稱爲泰拉能源（TerraPower）。該公司設計了一系列行波反應爐，裝機容量從300兆瓦到1000兆瓦。[10]

2010年，比爾·蓋茨在TED大會上專題討論了泰拉能源和他們設計的行波反應爐。[11]比爾·蓋茨是核電解決全球暖化論點的最有力倡議者，其認為別的能源解決方案都不切實際是空中樓閣，只有精進核能技術能最終產生平民可負擔價格的抗暖化能源，2017年3月蓋茨以泰拉能源公司董事長身份放問中國大陸，他關注到習近平主席對於核能計畫的熱衷，中核集團的快堆反應爐已經發電，蓋茲曾於2009年親眼目睹該實驗快堆，另一種球床反應爐也在建，中國已經有兩種第四代反應爐技術的實體機組，他認為中國是世界上如今唯一有財力、技術、意願建造行波反應爐的國家。[12]

反應爐物理

從 TerraPower 發表的文章和報告來看，該公司的行波反應爐使用金屬鈉作爲冷卻劑，主要使用貧化鈾做燃料，但需要一小部分濃縮鈾-235或其他可裂變材料作為引發劑。[13][14][15]裂變反應釋放出的快中子被鈾-238俘獲，通過以下核反應增殖：

{displaystyle mathrm {^_{ 92}U+,_^n; ightarrow ;_{ 92}^U; ightarrow ;_{ 93}^Np+eta ; ightarrow ;_{ 94}^Pu+eta } }


開始時，引發劑燃料棒被置於堆芯的正中。反應爐引發後，堆芯形成四個區域：

  • 貧化區，含有未完全燃燒的燃料和裂變產物；
  • 裂變區，增殖後的燃料發生裂變的區域；
  • 增殖區，不可裂變的材料在這個區域俘獲快中子，嬗變成可裂變核燃料；
  • 未反應區，行波還未到達的區域。

裂變區不停地由裏到外從堆芯中央往外推進，釋放出來的熱能被熔化的金屬鈉吸收，然後加熱冷卻水產生高壓蒸汽，推動汽輪機發電。[14]

燃料

和輕水堆不同，行波反應爐僅用少量濃縮鈾-235或其他可裂變材料引發核反應（~10%左右），剩餘燃料為貧化鈾、天然鈾、釷和輕水堆產生的貧鈾核廢料，卻可以在封閉的反應器內連續運行40年以上。[15]貧化鈾原料非常易得，是濃縮鈾過程的副產品。例如美國目前擁有將近700,000噸的貧化鈾。[16]由於燃燒深度大、燃料密度高和熱效率好，行波反應爐產生每千瓦時電力需要的燃料比輕水堆要低得多。

傳統增殖反應爐中，反應爐停止運行後需要利用化學手段才能提取出其中的鈽，再經過濃縮之後才能把這些鈽用於核燃料，當鈽的濃度超過一定數值時則可製作成核武器。[9]而行波反應爐的乏燃料不需要化學分離鈽，而是只需要區域熔煉。這防止了核廢料的生成，同時降低了核擴散的風險。[14]行波反應爐甚至可能使用自己的乏燃料——因爲一次燃燒只能把20-35%的燃料嬗變為可裂變材料；只需熔化後重新鑄造，便可獲得新的行波反應爐燃料，開始下一次發電。

行波和駐波的比較

在TerraPower公司的設計中，增殖-燃燒波不是從反應爐的一端移到另外一端，而是從裏到外。[17]裂變區的移動速度很慢，大約為每年一厘米。[9]此外，當燃料的化學構成經嬗變而變化之後，燃料棒會不停地移動位置，以期獲得堆內最優中子通量和燃料使用。因此，在TerraPower公司的設計中，燃料棒在移動，燃燒波（裂變區）基本靜止在一個區域（駐波），而不是燃燒波在靜止的燃料中移動。這和許多媒體的報道相反。[18]這樣做的好處是，冷卻系統不必和行波同步移動，而是冷卻一個相對固定的駐波區域。燃料棒由機械裝置操作，整個反應爐一直處於封閉狀態，不用離綫。

對行波反應爐的批評

行波反應爐招來了一些希望大力推廣釷做核燃料的人的批評。弗里伯能源公司（Flibe Energy）的柯克·索倫森說，快中子反應爐建起來已有難度，行波反應爐就更難。他還認爲行波反應爐的退役計劃也有問題。弗里伯能源公司的顧問羅伯特·哈格雷夫斯稱讚用行波反應爐解決全球能源荒的目的不錯，但其發電成本接近傳統核電，不可能低於化石燃料。[19]

優點與缺點

相對於現行核電廠技術，第四代反應爐有以下優點：

●核廢料仍有放射性，但半衰期已從數百萬年降至數百年。

●使用新式設計後，同樣數量的核燃料多產出100至300倍的能量。

●可利用現有核廢料產電。

●大幅改善運轉安全性。

缺點：

一種無法預測的問題是當操作員對新式反應爐運作不熟悉時，可能會有較高風險。

核工程師大衛.洛克博姆認為大部分的核子事故都是這樣造成的，他說：「我們無法模擬操作員會犯怎樣的錯誤」。美國某研究實驗室主任說：「生產、建造、維護新式核電廠會面臨新的學習問題，也許技術證明可行，但人類卻會犯錯」。

另一種特殊風險可能會發生在鈉冷式快反應爐上，因為鈉與水接觸會產生爆炸，修繕水管線會變得非常危險。為了改善這個問題，可在修繕時使用氬氣避免鈉被氧化，但卻可能造成工人缺氧窒息。日本的文殊增殖反應爐有測試過相關問題的解決方案。

參與國家

國際第四代反應爐論壇(GIF)成員國：

●阿根廷     ●巴西     ●加拿大     ●中國     ●歐盟     ●法國     ●日本

●韓國         ●俄羅斯     ●南非     ●瑞士     ●英國     ●美國

2002年，9國成立論壇同年瑞士加入。2003年，歐盟加入。2006年中國與俄羅斯加入。

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