行波反应堆

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行波反應堆模擬圖。紅色:鈾-238; 綠色:鈈-239;黑色:裂變產物;藍色的深淺代表中子密度。

行波反應堆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堆設計。行波反應堆屬於鈉冷卻快中子堆,在設計上屬於第四代反應堆[1]和其他快中子反應堆增殖反應堆不同的是,行波反應堆可以直接使用貧化鈾、天然鈾、輕水堆產生的核廢料作為燃料。理論上,行波反應堆甚至可以使用其自身產生的乏燃料作為燃料。如果行波反應堆普及,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。在行波反應堆中,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,行波反應堆由此得名。理論上,一次裝料后,行波反應堆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应堆非常困难。[2]目前尚未有這種反應堆投入商業運行。

歷史[编辑]

1958年,塞維利·范伯格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,高智發明公司(Intellectual Ventures)成立了一個子公司,稱爲地能公司(TerraPower, LLC)。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TED大會上專題討論了地能公司和他們設計的行波反應堆。[11]

反應堆物理[编辑]

從地能公司發表的文章和報告來看,該公司的行波反應堆使用金屬作爲冷卻劑,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。[12][13][14]裂變反應釋放出的快中子鈾-238俘獲,通過以下核反應增殖:


\mathrm{^{238}_{\ 92}U + \,^{1}_{0}n \;\rightarrow\; ^{239}_{\ 92}U \;\rightarrow\; ^{239}_{\ 93}Np + \beta \;\rightarrow\; ^{239}_{\ 94}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。[13]

燃料[编辑]

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。[14]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。[15]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,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。[13]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。

行波和駐波的比較[编辑]

在地能公司的設計中,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。[16]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,在地能公司的設計中,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。[17]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,不用離綫。

對行波反應堆的批評[编辑]

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(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。[18]

參考文献[编辑]

  1. ^ A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems. US Department of Energy. [2013-03-18]. 
  2. ^ 核能的更新换代
  3. ^ 3.0 3.1 S. M. Feinberg, "Discussion Comment", Rec. of Proc. Session B-10, ICPUAE, United Nations, Geneva, Switzerland (1958).
  4. ^ M. J. Driscoll, B. Atefi, D. D. Lanning, "An Evaluation of the Breed/Burn Fast Reactor Concept", MITNE-229 (Dec. 1979).
  5. ^ L. P. Feoktistov, "An analysis of a concept of a physically safe reactor", Preprint IAE-4605/4, in Russian, (1988).
  6. ^ E. Teller, M. Ishikawa, and L. Wood, "Completely Automated Nuclear Reactors for Long-Term Operation" (Part I), Proc. of the Frontiers in Physics Symposium, American Physical Society and the American Association of Physics Teachers Texas Meeting, Lubbock, Texas, United States (1995); Edward Teller, Muriel Ishikawa, Lowell Wood, Roderick Hyde, John Nuckolls, "Completely Automated Nuclear Reactors for Long-Term Operation II : Toward A Concept-Level Point-Design Of A High-Temperature, Gas-Cooled Central Power Station System" (Part II), Proc. Int. Conf. Emerging Nuclear Energy Systems, ICENES'96, Obninsk, Russia (1996) UCRL-JC-122708-RT2.
  7. ^ H. van Dam, "The Self-stabilizing Criticality Wave Reactor", Proc. Of the Tenth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems (ICENES 2000), p. 188, NRG, Petten, Netherlands (2000).
  8. ^ H. Sekimoto, K. Ryu, and Y. Yoshimura, "CANDLE: The New Burnup Strategy", Nuclear Science and Engineering, 139, 1–12 (2001).
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 How It Works: Traveling-Wave Reactor
  10. ^ K. Weaver, C. Ahlfeld, J. Gilleland, C. Whitmer and G. Zimmerman, "Extending the Nuclear Fuel Cycle with Traveling-Wave Reactors", Paper 9294, Proceedings of Global 2009, Paris, France, September 6–11, (2009).
  11. ^ Bill Gates. Innovating to zero!. TED. [2010-07-13]. 
  12. ^ R. Michal and E. M. Blake, "John Gilleland: On the traveling-wave reactor", Nuclear News, p. 30–32, September (2009).
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 Wald, M. 10 Emerging Technologies of 2009: Traveling-Wave Reactor. MIT Technology Review. 2009-March/April. 
  14. ^ 14.0 14.1 Gilleland, John. TerraPower, LLC Nuclear Initiative. University of California at Berkeley, Spring Colloquium. 2009-04-20 [October 2009]. 
  15. ^ United States Department of Energy,"Depleted UF6 Inventory and Storage Locations". Accessed October 2009.
  16. ^ T. Ellis, R. Petroski, P. Hejzlar, G. Zimmerman, D. McAlees, C. Whitmer, N. Touran, J. Hejzlar, K. Weaver, J. Walter, J. McWhirter, C. Alhfeld, T. Burke, A. Odedra, R. Hyde, J. Gilleland, Y. Ishikawa, L. Wood, N. Myrvold, W. Gates III. Traveling-Wave Reactors: A Truly Sustainable and Full-Scale Resource for Global Energy Needs. American Nuclear Society, Summer Meeting. 2010-06-14 [January 2012]. 
  17. ^ M. Wald. Developer of Novel Reactor Wins $35 Million Infusion. The New York Times. 2010-06-14 [June 15, 2010]. 
  18. ^ IThEO 2011 - New York - The Way Forward "Closing panel from IThEO 2011, International Thorium Energy Organisations annual conference which was held in New York" in October 2011. (YouTube video; Hargraves' comments begin about 29:30)

外部連結[编辑]