行波反应堆也许是裂变发电的一种解决方案

文明世界拼图 2022-02-16

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泰拉能源公司的行波反应堆正是21世纪我们所需要的能源。

乒乓球注定不能打出2马赫的速度。如果乒乓球的速度为音速的2倍，它会直接在球拍上穿出一个洞。泰拉能源（TerraPower）公司是一家设计先进核能反应堆的初创公司，公司的工程师用加压空气炮向参观者们演示了这一现象。演示生动地解释了核裂变的一个关键概念：高速飞行的小物体撞击看似不可撼动的大物体时，会产生巨大的冲击力。

或许这还包含一个更重要的观点，即迅猛发展的小型初创公司会对多年来看似不可撼动的电力行业产生巨大冲击。在这个被气候变化定义的世界，许多专家都希望未来的电网完全由太阳能、风能和水力发电供电。然而很少有人认为，在未来几十年内清洁能源电网会很快出现，从而大幅减少温室气体排放。太阳能和风能发电的增长速度比其他任何能源都要快；尽管如此， 21世纪可再生能源政策网络的数据显示，2015年，这些能源在全球一次能源消费中所占的比例总计也不到2%。

为实现未来的清洁绿色电网，许多专家表示必须依靠核裂变发电。在众多的无碳能源中，只有核裂变反应堆能够不受天气影响和地点限制，持续可靠地提供高质量电力。

然而自20世纪中叶第一批核电站运行以来，商业核反应堆几乎没有任何进展。现在世界上447座可运行反应堆中，有相当一部分已经暴露出了它们的老化问题和缺陷，并且继日本福岛第一核电站灾难发生7年之后，核能利用陷入了岌岌可危的境地。从2005到2015年，核能在全球能源消耗中的所占份额从5.73%降至4.44%。美国南卡罗来纳州的两个大型反应堆项目被废弃，而英国欣克利角核电站的建造成本则不断攀升，目前预计成本高达20.3亿英磅（27.4亿美元），这些都使核能利用雪上加霜。

但有一些国家对核能表现出了某种热情：中国拥有38座核反应堆，共计33千兆瓦的核电装机容量，并且计划到2024年再增加58千兆瓦。目前，全球约有50座核反应堆正在建设中，这些反应堆加上计划建设的另外110个，将为全球电网贡献约160千兆瓦的核电装机容量，并每年减少约5亿吨的二氧化碳排放。如果要在交通运输行业减少同等程度的温室气体排放，可能要废弃1亿多辆汽车，这约等于法国、德国和英国所有的乘用车。

在此背景下，几家美国初创公司正在推动新的反应堆设计，据说可以弥补核能的主要缺陷。马萨诸塞州剑桥市一家名为“核能转换”（Transatomic Power）的初创公司正在开发一种在液态氟化铀-氟化锂混合物中运行的反应堆。丹佛市的四代能源公司（Gen4 Energy）正在设计一种能够迅速在偏远地区部署的小型模块化反应堆。

在众多核能初创公司中，总部位于华盛顿州贝尔维尤的泰拉能源公司尤为引人注目，因为它财力雄厚，并与核能需求旺盛的中国关系密切。比尔·盖茨作为该公司的投资人之一，出任该公司的董事长。为了证明设计的可行性，泰拉能源公司将在明年与中国核工业集团公司合作新建一座试验反应堆。

为降低对煤炭的依赖，中国正努力争取到2020年使可再生能源和核能的产能增加超过250千兆瓦。泰拉能源公司的总裁克里斯·莱韦斯克（Chris Levesque）认为这是建造安全、高效的核反应堆的一个机会。他表示反应堆的燃料不易用于制造武器，并且该公司声称其反应堆产生的废物极少。更重要的是，泰拉能源公司宣称即使反应堆无人看管，也不会发生灾难性的事故。在莱韦斯克看来，它是解决世界能源危机的完美反应堆，他说：“如果没有核能的话，我们无法切实减少碳排放，帮助10亿人摆脱能源贫困。”

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泰拉能源反应堆是基于约60年前的设想演化而来的新变体，当时由一位现已被人遗忘的俄罗斯物理学家萨瓦里·范伯格（Saveli Feinberg）设计。第二次世界大战之后，随着美国和苏联陷入核军备竞赛，一些思想家猜测原子能能否用于战争武器之外的其他领域。1958年，在日内瓦举行的第二次和平利用原子能国际会议上，范伯格提议可以建造一座能自行制造燃料的反应堆。

范伯格设想了我们现在的“增殖燃烧反应堆”。早期的提案中的描述是通过燃料源来缓慢推进核裂变波，就像一根能燃烧几十年的雪茄那样，随着反应沿着堆芯发生，它会同时消耗和产生燃料。但在原子能的鼎盛时期，范伯格的设计是没有任何竞争力的。尽管铀资源储量丰富，反应堆造价便宜、易于建造，但处理放射性废物的艰巨任务仍需要几十年的时间来完成。

增殖燃烧的概念一直不被重视，直到20世纪90年代，“氢弹之父”爱德华·泰勒（Edward Teller）和天体物理学家洛厄尔·伍德（Lowell Wood）才又使其重新流行起来。2006年，伍德担任高智公司的顾问，这家知识产权投资公司是泰拉能源的母公司。当时，高智公司正在探索一切能减少碳排放的潜在解决方案，如裂变、聚变、可再生能源。伍德提出了行波反应堆（TWR），即增殖燃烧反应堆设计的一个子类型。泰拉能源公司的首席技术官约翰·吉尔兰德（John Gilleland）说：“我原本期望用几个月时间发现它的问题，然后把重点放在可再生能源上，但是我并没有发现任何问题。”

这并不是说伍德和泰勒设计的反应堆是完美的。“他们在90年代提出的这个设计很巧妙，但并不实用。”吉尔兰德说。但它给了泰拉能源公司的工程师们一个起点和希望，如果他们能让反应堆的设计实际运行起来，也许就能解决当今裂变存在的所有问题。

也有人对此并不那么乐观。美国能源与环境研究所所长阿尔琼·梅基耶尼（Arjun Makhijani）认为：“行波反应堆存在多层次的问题，也许会出现神奇的新技术能解决它们，但希望我们不用依赖魔法。”梅基耶尼表示，即使解决了堆芯内部制造燃料的难题，维持核反应的稳定也非常困难，并且他指出泰拉能源将采用的堆芯冷却技术基本上都有失败的先例。

以伍德和吉尔兰德为首的泰拉能源团队首先利用计算机建模来应对这些挑战。2009年，他们开始建造高级反应堆建模接口系统（ARMI），一种用于深层次模拟个性化反应堆的数字工具箱。利用高级反应堆建模接口系统，团队可以定义每个反应堆组件的大小、形状和材料，然后进行广泛的测试。最后他们认为自己研究出了60年前由范伯格首先提出的增殖燃烧行波反应堆的实用模型。据莱韦斯克回忆，这个团队带着令人惊讶的消息——“嘿，我们认为现在我们可以做行波反应堆了”——向他走来的时候，他加入了泰拉能源。

行波反应堆为何困扰物理学家数十年？首先要考虑到当今的核反应堆依赖于浓缩铀，在浓缩铀中，裂变同位素铀-235与相应的稳定同类物铀-238的比例比天然铀中的要高很多。

当一个穿梭的中子击中一个铀-235原子时，能够将原子分裂成钡和氪的同位素，并留下3个中子（就像高速乒乓球穿过坚固的球拍）。当足够多的中子撞击到足够多的易裂变铀原子时，就会出现临界状态，形成自给自足的核反应。在当今的反应堆中，实现临界状态的唯一途径就是在燃料中配比大量的铀-235原子。

相比之下，行波反应堆将可以使用贫铀，贫铀的铀-235原子含量极少，无法在无辅助的情况下达到临界状态。而泰拉能源公司的解决方案是将169个固体铀燃料细棒排列成六边形。当反应开始时，铀-238原子吸收多余的中子转变为铀-239，在短短几分钟内它衰变为镎-239，然后再衰变为钚-239。钚-239被中子击中时，会释放出2到3个中子，这样的循环足够维持链式反应。

行波反应堆还会释放大量能量，毕竟钚-239是现代核武器中使用的主要同位素。但莱韦斯克表示，产生的钚-239并不会使反应堆发生核扩散危险。恰恰相反，钚-239不会在行波反应堆中累积，杂散中子几乎立即就可将钚-239分裂成一连串裂变产物。

换句话说，该反应堆正如几十年前范伯格所设想的那样，在燃料燃烧前会增殖它所需要的高度裂变钚燃料。而“行波”所指代的反应堆与缓慢燃烧的雪茄式反应堆略有不同。在行波反应堆中，高架起重机系统就像一个精确的巨大拱形爪机，通过把燃料棒从堆芯的其他地方移入或移出，将反应保持在堆芯的环形区域内。

为了发电，行波反应堆采用比现在的反应堆更复杂的系统，现在的系统利用堆芯的极高热量来加热水并驱动蒸汽轮机发电。而在行波反应堆中，热量先被液态钠循环流吸收，然后液态钠流出反应堆堆芯后，再加热水驱动蒸汽轮机。

但梅基耶尼说，行波反应堆还存在一个重要问题。与水相比，熔融钠可以从堆芯中转移出更多的热量，而且它对金属管道的腐蚀性实际上也比热水小。但金属钠是一种剧毒金属，而且遇到氧气就会剧烈燃烧。梅基耶尼说：“钠冷却的问题是行波反应堆的致命弱点。”

梅基耶尼列举了两个钠冷却反应堆存在固有困难的典型案例。法国的超凤凰快堆（Superphénix），因为钠经常泄漏到燃料储存罐中，致使其在10年的运营时间里产能很少超过7%。更让人震惊的是，日本的“文殊”号反应堆在达到临界状态不到1年就关闭了，因为液态钠循环的振动使管道破裂，钠离子与空气中的氧气接触，立刻引发了火灾。梅基耶尼说：“有些反应堆运行得还不错，有些运转得很糟糕，还有一些导致了经济灾难。”

现在，泰拉能源实验室里堆满了燃料棒和反应堆组件。此外，该团队一直在试验测试熔融钠如何在反应堆管道中流动、对管道的腐蚀程度，以及经过几十年高温所有堆芯组件不可避免的膨胀等所有曾经困扰钠冷却反应堆的问题。泰拉能源公司的工程师将会把他们从测试中学习到的成果应用到建造试验反应堆中，以此来检测他们的设计是否真的有效。

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泰拉能源反应堆的安全性在一定程度上源自其内在的设计要素。当然，所有的核电反应堆均设计有安全系统，每个安全系统都有一个应对时间，即核灾难发生前受损反应堆在没有人员干预的情况下可以持续运行的时间。自20世纪80年代以来，人们一直在宣传所谓的“内在安全核反应堆”的观念，但泰拉能源公司的目标是建立一个依靠基础物理学提供无限应对时间的反应堆。

行波反应堆的设计凸显了核反应堆安全系统的一致标准。在反应堆发生事故时，由镉等中子吸收材料精制而成的控制杆会迅速坠入堆芯，阻止会导致堆芯熔毁的失控链式反应，这被称为紧急停堆。

紧急停堆可以在极短的时间内将反应堆裂变速率降低到几乎为零，不过残余的热量仍然可能导致灾难。在切尔诺贝利，一些燃料棒在紧急停堆时断裂，致使反应堆继续熔毁。在福岛第一核电站，冷却系统受损，导致热量无法从堆芯迅速转移出去。这就是泰拉能源团队为什么想要打造一个即使安全系统失灵也可自然停堆的反应堆。

泰拉能源的反应堆可以保持冷却状态，是因为它的纯铀燃料细棒将热量从堆芯转移出去时比当今典型反应堆使用的燃料棒都更加高效。如果这还不足以防止熔毁，那么该公司还有一个王牌。正如吉尔兰德解释的那样，燃料细棒变得过热时会膨胀，刚好让中子从燃料细棒滑过，而不会撞击更多的钚-239，从而减缓反应，自动冷却堆芯。

泰拉能源团队声称，由于行波反应堆燃烧燃料更高效，它产生的废物也更少。该公司表示，一座1200千兆瓦的反应堆，每千兆瓦年只产生500万吨的废物，而当今的反应堆每千兆瓦年会产生2100万吨的废物。如果这个数字准确的话，那么该反应堆就可以通过大幅减少产生的废物量来解决目前的储存问题，这些废物经过数千年仍然具有很高的放射性。进入核时代60多年来，只有芬兰和瑞典在建立深度永久储存库方面取得了重大进展，但也要等到本世纪20年代才能建好。

泰拉能源公司计划明年在中国破土动工建立试验反应堆。如果一切顺利，这座反应堆将在本世纪20年代中期投入使用。但是即使泰拉能源的反应堆取得了巨大的成功，公司也需要20年甚至更长的时间来部署大量的行波反应堆。因此，在接下来的几十年里，全球公用事业领域将别无选择，只能依靠化石燃料和常规核反应堆来获得可靠的全天候电力。