【核電】新型反應(yīng)堆：行波堆

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1、【核電】新型反應(yīng)堆：行波堆11-09-29作者：??編輯：張聰敏行波堆（TWR）是一種通過嬗變過程把可增殖核材料轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炎兒巳剂系男滦头磻?yīng)堆。與其它類型的快中子及增殖反應(yīng)堆不同，它不需要或者僅僅需要少量的濃縮鈾，就可以燃燒貧化鈾、天然鈾、輕水反應(yīng)堆卸出的乏燃料或者是前面這幾種材料的混合物。到目前為止，作為核電反應(yīng)堆的主要燃料，天然鈾中只有約0.7%的同位素能被直接利用，但是，利用行波堆技術(shù)，鈾資源的30%-40%，甚至?60%-70%可以物盡其用。也就是說，和其它核電反應(yīng)堆不同的是，行波堆技術(shù)可以直接利用現(xiàn)

2、在被廢棄的鈾同位素，甚至是只經(jīng)過簡單轉(zhuǎn)化的核電廠廢棄燃料，對其深度焚燒而產(chǎn)生巨大能量，將沉重的廢物負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)換為高額經(jīng)濟效益。行波堆的發(fā)展歷史行波堆的想法可追溯到20世紀(jì)，1958年SaveliFeinberg首次提出了反應(yīng)堆堆芯自增殖的概念，并稱之為“breedandburn”反應(yīng)堆。MichaelDriscoll?對這一概念進行了更深入的研究，并在1979年發(fā)表了相關(guān)的論文。此后，1988年LevFeoktistov，1995年EdwardTeller和LowellWood，2000年HugovanDam?以

3、及2001年HiroshiSekimoto也先后發(fā)表了相關(guān)的研究論文。迄今為止，全球還沒有建造真正的TWR。但是2006年，IntellectualVentures成立了一家名字叫做TerraPowerLLC的子公司，對這種行波堆的概念進行工程化設(shè)計和經(jīng)濟性評價。TerraPower設(shè)計了低功率到中等功率（30萬千瓦）到大功率（約100萬千瓦）的幾種不同的級別的反應(yīng)堆，開發(fā)出了一個實用的設(shè)計。IntellectualVentures公司已獲得了該技術(shù)的專利，現(xiàn)在正和一家反應(yīng)堆制造商討論專利許可事宜。盡管仍有一

4、些基本的設(shè)計問題需要加以解決，如反應(yīng)堆如何在事故條件下運行的精確模型等，但有關(guān)方面認(rèn)為，一個商業(yè)化反應(yīng)堆可在2020年初開始運行。IntellectualVentures?公司認(rèn)為，在核工業(yè)全面復(fù)興和核燃料供應(yīng)緊張的情形下，行波堆設(shè)計沿著這條路走下去一定會吸引更多人的目光。行波堆的特點（1）節(jié)約核燃料TWR可以在建造時就裝上足夠量的貧化鈾，這些貧化鈾足夠反應(yīng)堆滿負(fù)荷運行60年，甚至更多。由于TWR的高燃耗、高熱效率和高燃料密度，對于每單位的電能，它所消耗的鈾要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輕水反應(yīng)堆。這些特性在提高燃料增殖能力的同

5、時，還大大地降低了燃料和核廢料的體積。作為原料，貧化鈾供應(yīng)量充足。目前，美國大約有70萬噸的貧化鈾庫存，這些貧化鈾都是鈾濃縮工業(yè)過程的副產(chǎn)品。據(jù)估算，如果采用TWR技術(shù)，它們可產(chǎn)生100萬億千瓦時的電力供應(yīng)本國使用。TerraPower公司的科學(xué)家還估計，如果廣泛應(yīng)用TWR，全球的貧化鈾庫存能夠供全世界80%的人口以美國人均能耗的水平維持100萬年。從原理上來說，TWR能夠燃燒來自輕水堆的乏燃料，這是可能的，因為輕水反應(yīng)堆的乏燃料的成分里大多數(shù)也是貧化鈾。再者，在?TWR的快中子能譜中，裂變產(chǎn)物的中子俘獲截面

6、比其在輕水堆的熱中子能譜中低幾個數(shù)量級。當(dāng)然，要實現(xiàn)真正的應(yīng)用，還需要在技術(shù)上的進一步研究。TWR同樣能夠重新使用它們自己的燃料。在TWR中用過的燃料仍然有較高含量的可裂變物質(zhì)。這些物質(zhì)不需要分離，直接重新成型封裝，即可用作啟動其它TWR的燃料，這樣也就不再需要濃縮鈾工藝了。行波堆通過對抑制堆芯燃料的分布和運行，核燃料可以從一端負(fù)級啟動點燃，裂變產(chǎn)生的多余中子將周圍不能裂變的U-238轉(zhuǎn)化成Np-239，當(dāng)達(dá)到一定濃度之后，產(chǎn)生裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，同時開始焚燒就地生成的燃料，形成行波。行波以增殖波先行、焚燒波后續(xù)，

7、一次性裝量可以連續(xù)運行數(shù)十年甚至上百年。為維持運行，堆芯燃料部分保持常規(guī)的大小質(zhì)量，按正常方式通過核能，將熱量帶出堆芯，產(chǎn)生蒸汽，其余部分為燃盡或待增殖的燃料。除最初的啟動源需要濃縮鈾，其它所有燃料都可以來自天然的材料或輕水堆的乏燃料，因此不需要分離濃縮。在實際工程化過程中，行波堆可以選擇使用定期移動燃料、增殖焚燒波的空間固定處理方式。（2）防止核擴散對反應(yīng)堆的核燃料進行濃縮及定期打開反應(yīng)堆補充核燃料，是核電廠運行中最繁瑣和昂貴的步驟。用過后的核燃料從反應(yīng)堆中取出后，必須對之進行再處理以回收可用材料。當(dāng)行波反

8、應(yīng)堆運行時，其堆芯逐漸將在熱堆中不參與裂變的材料轉(zhuǎn)變成它所需要的核燃料。IntellectualVentures公司的核計劃部經(jīng)理約翰·基勒蘭德稱，基于如此設(shè)計的核電反應(yīng)堆在理論上可以運行兩百年，而不用再次加注核燃料?；仗m德的目標(biāo)是利用目前的核廢料來運行反應(yīng)堆。常規(guī)熱中子反應(yīng)堆使用鈾-235，很容易裂變并產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，但鈾-235既稀缺又昂貴，必須在特殊的濃縮工廠從更為常見的非裂變材料鈾-238中