行波反应堆

1958年，塞維利·范伯格（Saveli Feinberg）提出了一種可以在堆芯内自己“製造”燃料的反應堆並稱之爲“增殖-燃燒堆”。[3] 這是行波反應堆的雛形。自此之後一直有人斷斷續續的研究這種反應堆，[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年代中出现了可能成为现实的行波反应堆设计。[9]

2006年，智能創投公司成立了一個子公司，稱爲泰拉能源（TerraPower）。該公司設計了一系列行波反應堆，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堆。[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訪問中國大陸，他關注到中共中央總書記習近平對於核能計划的熱衷，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、意願建造行波反应堆的國家。[12]

從泰拉能源發表的文章和報告來看，該公司的行波反應堆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：

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U+\,_{0}^{1}n\;\rightarrow \;_{\ 92}^{239}U\;\rightarrow \;_{\ 93}^{239}Np+\beta \;\rightarrow \;_{\ 94}^{239}Pu+\beta } }$

開始時，引發劑燃料棒被置於堆芯的正中。反應堆引發后，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，增殖后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]

和輕水堆不同，行波反應堆僅用少量濃縮鈾-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、釷和輕水堆產生的贫铀核廢料，卻可以在封閉的反應器内連續運行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，行波反應堆產生每千瓦時電力需要的燃料比輕水堆要低得多。

传统增殖反應堆中，反应堆停止运行后需要利用化学手段才能提取出其中的钚，再经过浓缩之后才能把这些钚用于核燃料，当钚的浓度超过一定数值时则可制作成核武器。[9]而行波反應堆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]行波反應堆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；只需熔化后重新鑄造，便可獲得新的行波反應堆燃料，開始下一次發電。

在泰拉能源公司的設計中，增殖-燃燒波不是從反應堆的一端移到另外一端，而是從裏到外。[17]裂变区的移动速度很慢，大约为每年一厘米。[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，以期獲得堆内最優中子通量和燃料使用。因此，在泰拉能源公司的設計中，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，整個反應堆一直處於封閉狀態，不用離線。

行波反應堆招來了一些希望大力推廣釷做核燃料的人的批評。弗里伯能源公司的柯克·索倫森說，快中子反應爐建起來已有難度，行波反應堆就更難。他還認爲行波反應堆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堆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]

• "TerraPower Reactors Approach the Nuclear Ideal" by Intellectual Ventures Lab
• TerraPower: How The Traveling Wave Nuclear Reactor Works