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核电 爽子 2015-11-12 15:07
中国电工网讯:
    1958年,美国麻省理工学院的范伯格在国际和平利用原子能会议上提出了“增殖-燃烧反应堆”的概念,主要物理过程为可转换材料(如238U)在反应堆内的“原位”增殖和焚烧,将整个闭式燃料循环在同一个堆内实现,简化核燃料循环,提高一次通过模式的铀资源利用率。
 
    由于该增殖焚烧过程通常有增殖行波和焚烧行波的物理图像,被广泛称为“行波堆”。其具体实现方式又可以进一步分为行波堆和驻波堆两种。如果行波堆能够研制成功并投入使用,它们提供的能量够地球上的每个人按照美国的人均能耗用上1000年。对此,范伯格表示:如果这个方案可行,今后我们只需要“每个行星有一个浓缩厂”,即只需要浓缩铀来点燃行波堆,用现有的乏燃料和天然铀就可以提供全世界所有人使用千年的能源。
 
    可是,在当时的技术条件下,行波堆就像核聚变一样遥不可及,只能是一个纯理论研究。行波堆的燃耗要达到30%以上,燃料包壳辐照要达到500dpa(材料辐照性能)以上,而在当时的实验室条件下,材料辐照性能也达不到一年百个dpa。相对而言,当时的水堆技术,技术可行性更高,更具备工业应用条件,世界核电便以此种技术大规模发展起来。行波堆就这样被遗忘在工业应用的门槛之外。
 
    随着世界核电的发展,一些问题日益凸显:核燃料的来源问题,乏燃料后处理的问题,以及核扩散的风险等。
 
    乏燃料中包含有大量的放射性元素,具有放射性,如果不加以妥善处理,会严重影响环境与接触它们的人的健康。目前国际上对乏燃料的处置办法有两种:一次通过和进行乏燃料后处理。
 
    进行乏燃料后处理,也有两种方式:一种是乏燃料出堆后,通过后处理分离出铀、钚,铀、钚可以另作他用。分离出铀、钚后的乏燃料经过几万年的存放后,放射性毒性可以减低到等效天然铀水平。另一种是,除分离出铀、钚以外,进一步分离出次量锕系核素,这就是先进燃料循环方式。次量锕系核素里有部分核素的放射性半衰期非常长,是乏燃料中除钚之外较主要的长期放射性毒性来源。把所有锕系元素分离出来后,剩余的乏燃料只需要储存几百年就可以降低到等效天然铀的水平。虽然很多国家的后处理技术已经发展得比较成熟,甚至达到了工业规模,但到目前为止,主要仍是针对压水堆乏燃料后处理,没有一条线是能够用于快堆及闭式燃料循环工业应用的,国家级的完整闭式燃料循环体系并没有真正建设起来。同时,能够分离出钚的后处理技术是敏感技术,后处理技术在降低了乏燃料的毒性的同时,也带来了核扩散的隐忧。
 
    以美国为代表的国家对现有的后处理技术并不满意,他们认为,现有的后处理技术要耗费巨大的人力、物力、财力,且需要特别长的周期,在工业应用上并没有很大的前途,还不如等到技术进步得足够快,找到更适合于工业应用的办法后再处置。他们主要采用“一次通过”的方式,即核燃料焚烧后,从堆内卸出,深埋储存,以待日后后处理技术更加先进时再进行处理。
 
    在核电发展的困境中,美国泰拉能源公司将目光投向了看起来遥不可及的行波堆技术,积极开展相关研究。
 
    梦想照进现实
 
    作为这个世界上较富有的人之一,比尔˙盖茨曾经表示,他有三个理想:一是每个人有一台电脑,都用上windows系统;二是消灭艾滋病、结核病和疟疾,每个人有平等的医疗机会;三是让穷人都能够用上清洁经济的电。为了实现他的理想,比尔˙盖茨做出了不懈努力。2006年,在评估了所有已在理论上被研究和讨论过的核反应堆类型后,比尔˙盖茨选择了行波堆,并创立了泰拉能源公司来发展这项技术。
 
    行波堆可以以现有的贫铀、乏燃料回收铀或者天然铀为燃料,这就解决了燃料来源问题、减轻了乏燃料的存储问题;同时,在理想状况下,行波堆10年才需要加一次转换增殖燃料,不需要开展后处理,杜绝了核扩散的风险。如果行波堆能够变成现实,不但阻碍核能发展的核心问题化为乌有,困扰人类多年的能源问题亦能同时得到解决。
 
    2006年,泰拉能源首席执行官、美国应用物理学家季约翰表示:我们认为行波堆这个概念很有潜力,但不是很快能够实现的。泰拉能源的任务是开展严谨的技术和工程开发,把行波堆的概念完善到一定程度,然后由大型核能企业继续做商业开发。
 
    作为一个概念,是否能够成功建造第一个反应堆是决定行波堆未来发展的关键一步。2010年,比尔˙盖茨接受麻省理工《科技创业》杂志采访时表示,泰拉能源公司不计划自己筹钱建造行波堆,“会与一些国家和大型公司合作来建造”。
 
    比尔˙盖茨认为,在亚洲建造行波堆的可能性要比北美或者欧洲地区更高。在世界核能新建电站中,中国占据了40%的领先地位,他“相信中国的核电项目将成为其他国家负责任地发展核电的一个榜样”。2009年底,比尔˙盖茨开始了中国的行波堆推介之旅。
 
    2009年11月,比尔˙盖茨参观中核集团原子能院的实验快堆并发表主题演讲,他提到,如果行波堆的梦想能够实现的话,美国现有的贫铀材料可以供一百座一百万千瓦的行波堆运行100年。
 
    对核能发展来说,这是一个激动人心的数据。根据我国核电发展规划,到2020年,我国在运装机将达到5800万千瓦,届时对我国铀资源战略储备和乏燃料安全管理都将面临很大挑战。如果我国核能发展积累的贫铀和乏燃料能够作为行波堆的燃料,那我国核能大规模可持续发展将不再是梦想。
 
    将一个概念变成现实是一个漫长的过程,要经过无数的探讨、论证、修改。泰拉能源的行波堆研究自2006年起,随着研究的深入开展,技术方案不断更新,行波堆经历了从理想行波堆概念到商业行波堆型号的发展。
 
    “行波堆(TWR)是泰拉能源公司对原位增殖焚烧快堆的称呼,现在开发的实际是驻波堆方案,这是行波堆概念结合工业技术可实现性的一个拓展。考虑到技术的延续性,泰拉公司当前的技术路线首先从金属燃料常规快堆方案出发,首先建成可进行测试实验的原型行波堆(TWR-P)。通过在原型行波堆进行充分的试验和材料的辐照测试,逐步进行技术积累,较终实现商业驻波堆(TWR-C)的型号研发并推广。但是,由于目前行波堆的部分关键系统与设备的成熟度较低,仍存在一系列严峻的技术挑战,尤其是商业行波堆燃料材料的技术开发与测试验证存在较大技术风险。”原子能院行波堆中美合作项目技术负责人喻宏介绍。
 
    在泰拉能源的计划表上,2015年-2025年为原型堆的设计、研发和建造阶段,在完成原型堆的设计后,在其建造、调试和早期运行期间,将完成商用行波堆的详细设计和策划。
 
    为了提高行波堆的现实可行性,泰拉能源将行波的概念与钠冷快堆相结合,提出了点火区与增殖区组件倒料的策略,在充分利用已经相对比较成熟的快堆技术的基础上,通过在布料和倒料策略上的优化,以实现行波并提高燃料利用率。目前泰拉能源和中核集团准备合作研发的600MW的原型堆TWR-P,实质上是一种有倒料操作的金属燃料钠冷快堆。
 
    在推进TWR-P原型堆的过程中,中核集团原子能院发挥了重要作用。行波堆,与传统钠冷快堆有很多共性技术,很多系统、设备,包括用钠,都是相通的,不同的在于堆芯和燃料。作为中方的行波堆总体技术负责单位,原子能院是中美行波堆联合技术评估和独立技术评估的主要承担者和主要的技术评估发言人。在和美国行波堆团队不断沟通和交流的过程中,原子能院技术人员提出了很多建设性意见。
 
    行波堆与普通钠冷快堆较大的差别在于核燃料在堆内需要经历数十年的辐照,因此其核燃料在堆内的服役性能研究就显得尤其重要。在2015年4月举行的行波堆联合技术评估专家审查会上,泰拉能源透露,他们已经通过美国爱德华国家实验室、法国阿海玛、美国韦里迪安公司完成了行波堆燃料测试组件的设计、加工、燃料棒束的流量试验,在俄罗斯BOR60正在进行材料辐照测试。
 
    今年8月31日,中核集团组织了行波堆独立技术评估报告专家评审会,会议邀请潘自强、叶奇蓁、阮可强、徐銤等院士在内的20余名专家,原子能院、核动力院、核电工程公司等单位的20余名专业人员参加。专家们认为:行波堆技术是提高铀资源利用率实现核能可持续发展的可选堆型,美方提出的原型堆—商业堆的技术路线是合理可行的。
 
    携手打造行波堆
 
    在中美正式合作以前,双方已经各自开展了很多工作,并进行了多次会谈。
 
    自2010年开始,原子能院对行波堆开展了大量研究工作。
 
    机会只会给有准备的人,由于中核集团在快堆技术方面无可争议的优势,泰拉能源递出了橄榄枝。
 
    2013年年底,中美两国政府签署关于行波堆合作的执行计划;2014年,在中美合作协议中,两国授权中核集团和泰拉能源就行波堆开展合作。这两个协议的签署,标志着中美关于行波堆技术的合作正式开展。
 
    不同于引进项目,中美拟在行波堆领域开展的合作,是中美两大国在高科技领域的联合开发工作,计划由中美双方共同出资金、出技术、出人才,完成从科研到工程阶段的技术研发和设计,共享知识产权。在此基础上,完成原型堆项目的工程建设,和未来面向全球的商业化推广。
 
    在2015年8月底,中核集团组织的行波堆独立技术评估报告专家评审会上,与会专家认为:与美方开展行波堆合作符合中国及中核集团的核能发展战略方向,与目前中国开展的快堆技术路线可以相辅相成、相互促进,有利于促进核能产业技术升级和可持续发展。
 
    专家们指出了金属燃料快堆燃料的先进形式和发展方向。通过国际合作开展金属燃料快堆研发、关键设备研制和原型堆项目建设有助于加快以传统快堆为主的第二步核能战略的实现,缩短战略进程。
 
    除此之外,由于行波堆的防核扩散性,与其他先进核能系统相比,行波堆是中核集团和泰拉能源一起打造的、较有可能向第三世界国家推广的核电项目,具有重要的商业价值。
 
    如今,泰拉能源公司目前已完成原型行波堆堆芯的部分概念设计,正在计划进入工程设计阶段,有望在2023年前成功建造行波反应堆的原型堆。
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