2016年，60歲的比爾蓋茨以78.6億美元的身價蟬聯(lián)了世界首富的桂冠。這么多錢可怎么花？蓋茨自然有大把花錢的地方：一個是Bill & Melinda

2016年，60歲的比爾蓋茨以78.6億美元的身價蟬聯(lián)了世界首富的桂冠。這么多錢可怎么花？蓋茨自然有大把花錢的地方：一個是Bill & Melinda Gates Foundation，也就是以他和他妻子命名的慈善基金會；另一個，就是蓋茨擔(dān)任董事會主席的TerraPower公司。

TerraPower是美國一家致力于第四代核電站技術(shù)研究和應(yīng)用的科技公司，他們的主力堆型是TWR（Traveling Waves Reactor），中文多譯作「行波堆」。蓋茨在20幾歲就開始了自己改變世界的旅程，那這一次，他和TerraPower能夠改變世界的能源現(xiàn)狀嗎？

核能 - Bill Gates的選擇

2008年，從微軟抽身出來的蓋茨全身心的投入到了慈善基金會的工作上。這個基金會致力于在全球范圍內(nèi)減少貧困和饑餓，并利用科技手段拯救生命、提供更好的教育。這些工作直接展現(xiàn)了蓋茨對人類困境的思慮和行動。

有了這個情懷做基礎(chǔ)，也就不難理解他為何鐘情于下一代核反應(yīng)堆的研發(fā)與推廣。想必蓋茨也堅信，核能才是解決人類能源和環(huán)境危機的最可靠保障。

緣起TerraPower

在美國，不僅僅有比爾蓋茨一個人看好核能的未來。一家名叫Intellectual Venture的發(fā)明&專利獲取公司（后面就簡稱「IV」了）早就致力于TWR的研究。在2008年，TerraPower在獲得了來自蓋茨和其他機構(gòu)的資金支持之后，終于從IV公司的一個實驗項目轉(zhuǎn)型成為一家真正的公司。

TerraPower 的公司總部位于美國華盛頓。那里匯集了全美眾多的科學(xué)家和工程師，致力于第四代反應(yīng)堆、主要是TWR（行波堆）的研究和開發(fā)工作。如今在TerraPower，除了主要對TWR進(jìn)行研究及推廣之外，其他第四代堆型諸如熔鹽堆等也在其研究范圍內(nèi)。

作為TerraPower主攻的技術(shù)方向，TWR（Traveling Wave Reactor）在安全性、可靠性和經(jīng)濟性等重要評價指標(biāo)上都有諸多過人之處。

TWR - 行波堆

雖然TWR是TerraPower公司的技術(shù)，但TerraPower只是又一次的「站在了巨人的肩膀上」。他們并非TWR的開創(chuàng)者，而是完善TWR技術(shù)、并實現(xiàn)其商業(yè)化運營這一目標(biāo)的實踐者。

• 什么是「行波」

其實，我第一次見到Traveling Wave Reactor，或者「行波堆」這個說法的時候，內(nèi)心是及其崩潰的。因為從字面上我們完全沒辦法了解它到底表達(dá)的是個什么意思。（行波堆？和仁波切又有什么聯(lián)系嗎？）

如果用白話來解釋行波堆，我覺得應(yīng)該是這樣的：

• 所謂「行」，是指燃料棒上功率產(chǎn)生的位置是隨時間而「移動」的，這就像蠟燭的火焰會隨著蠟燭燃燒而越來越低一樣。
• 所謂「波」，是指能量以“波”的形式散發(fā)出來。

綜合起來，「行波」就是指“能量波沿著燃料棒軸向不斷移動”的意思（可參考上圖）。

• TWR發(fā)展史

其實，TWR的雛形可以追溯到大半個世紀(jì)前（那時候的人們到底有多熱愛核能啊）。在1958年，一位叫做Savelli M. Feinburg的科學(xué)家首次提出了將貧鈾或天然鈾維持在一種自我增殖的條件下，從而維持反應(yīng)堆運行的快堆理念，這也就形成了TWR的理論基礎(chǔ)。這個理論在20世紀(jì)70年代、90年代和21世紀(jì)前10年分別經(jīng)歷了幾次重大的發(fā)展，并最終歸入了TerraPower的懷抱。

關(guān)于整個TWR技術(shù)的極簡發(fā)展歷史，可以看看這個時間表：

• 反應(yīng)堆概況

與已有的反應(yīng)堆相比，TWR最大的不同是可以使用貧鈾(U-238)甚至天然鈾核作為燃料。在反應(yīng)堆運行期間，燃料一直在自我持續(xù)“繁殖-消耗”(breed-burn)這一循環(huán)。這一技術(shù)也直接支撐了TWR的“一次裝料，直至退役”的設(shè)計理念。也就是說，反應(yīng)堆內(nèi)的非核燃料可以重新被轉(zhuǎn)換為可發(fā)生裂變反應(yīng)的核燃料，從而消除了換料的過程，基本消除了對核燃料擴散的擔(dān)憂，并具有更好的經(jīng)濟性。以下是TWR的主要特性：

除了前面提到的諸多先進(jìn)性以外，TWR相對于普通輕水堆還有很多其他的優(yōu)勢：

• 在燃料的利用率上提高了50倍（目前核電站對核燃料的利用率僅在1%左右），極大的提高了經(jīng)濟效益。
• 消除了核廢料處理的需要；極大減少（基本消除）了對濃縮鈾的長期需要。
• 在電站運行過程中即可將貧鈾轉(zhuǎn)化成可作為可再次使用的燃料。從鈾的天然儲量來看，實際上鈾會變成用之不竭的自然資源。
• 反應(yīng)堆重要部件

TWR的堆芯在地表以下、冷卻劑采用池式結(jié)構(gòu)（一回路無管道）、運行壓力為大氣壓。整個反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)如下圖：

1. Containment Dome 安全殼

安全殼安裝的是非放射性裝置。在事故工況時，安全殼可以作為一道安全屏障。在未來的電站設(shè)計中，安全殼會安裝于核島廠房內(nèi)，相應(yīng)的又增加了一層安全屏障。

2. Reactor Vessel/Reactor Guard Vessel 壓力容器和壓力容器保護(hù)層

壓力容器及其保護(hù)層中安裝的是被液態(tài)鈉淹沒的堆芯及其組件。在這種池式的堆芯冷卻結(jié)構(gòu)中沒有管道，從而消除了發(fā)生LOCA(Loss of Coolant Accident, 失去冷卻劑事故)的風(fēng)險。

3. Reactor Core 堆芯

TWR真正的創(chuàng)新就它的堆芯。堆芯的中心是一些濃縮鈾(U-235)燃料棒；它們的周圍，是貧鈾(U-238)燃料棒。U-235在這里被用作點火裝置，啟動行波反應(yīng) (Traveling Wave Reaction)。這種緩慢進(jìn)行的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所產(chǎn)生的裂變平行波聚集在堆芯中央，緩慢的消耗著核原料。

4. In-Vessel Fuel Handling Machine 堆內(nèi)燃料處理機

為了讓裂變反應(yīng)可以持續(xù)，堆內(nèi)燃料處理機會定期的將堆芯中心的燃料棒與外緣燃料棒進(jìn)行交換。

5. Control and Safety Rods 控制棒和安全棒

控制棒和安全棒懸吊在堆芯上方。控制棒受機械裝置控制，通過插入或拔出控制棒來調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率。安全棒只受重力控制，在事故工況下緊急掉入堆芯，迅速停堆。

6. Primary Sodium Pool 一回路鈉池

一回路鈉池中的液態(tài)鈉將堆芯包圍。TWR以自然的物理定律為基礎(chǔ)，并結(jié)合了先進(jìn)的鈉冷卻劑來提升熱交換性能，并維持高安全系數(shù)。

7. Intermediate Heat Exchangers 中間級熱交換器

中間級熱交換器安全的實現(xiàn)了主回路鈉池和二回路液態(tài)鈉環(huán)路之間的熱量交換。二回路負(fù)責(zé)將熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器。

8. Direct Reactor Auxiliary Cooling System 反應(yīng)堆輔助冷卻系統(tǒng)

反應(yīng)堆輔助冷卻系統(tǒng)在常規(guī)冷卻路徑不可用時啟動，負(fù)責(zé)排出反應(yīng)堆內(nèi)衰變產(chǎn)生的余熱。

• 安全特征

順利通過安全評審，是TWR走向商用過程中的要一環(huán)。TerraPower在設(shè)計過程中廣泛參考了全球各個標(biāo)準(zhǔn)體系中的安全要求，包括NRC, IAEA, IEEE和ASME的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則等等。

作為第四代反應(yīng)堆，TWR采取了被動安全的特性來緩解事故后果。TWR的安全功能不依賴外部電源。同時，TWR的安全功能還可以在發(fā)生一些「超設(shè)計基準(zhǔn)事故」時保證反應(yīng)堆的安全。

TWR的一些關(guān)鍵的安全功能：

• 池式的一回路是一個巨大的熱阱，事故工況時冷卻劑升溫緩慢，很大程度上降低了事故的發(fā)展速度。（想想福島）
• TWR的金屬燃料元件的能量保持特性比傳統(tǒng)的氧化物燃料低的多，在事故工況時會釋放更少的能量。（又想福島）
• 運行時不會產(chǎn)生氫氣。（還想福島）
• 被動安全特性的余熱排出系統(tǒng)依靠自然循環(huán)，不依賴電能。（再想福島）

上面只是從3個方面介紹了TWR的整體情況，雖然不是很詳盡，但我已經(jīng)非常期待TWR的實驗堆、以及商用堆的早日到來了，這簡直是人類獲取能源方式的一次革命。那TerraPower到底有沒有一個時間表呢？又或者，是不是有更加革命性的創(chuàng)新會在未來發(fā)生？

TerraPower與TWR的未來

TWR完全定型了嗎？并沒有。TerraPower有一個確定的時間表嗎？希望是。其實早在2008年成立伊始，TerraPower就已經(jīng)為TWR制定時間表了。其中首個重要的時間是要在2020年實現(xiàn)600MW原型堆啟動。

不過，建設(shè)核電站是個相當(dāng)龐大的工程，不可能由一家公司獨立完成，更何況TerraPower只是家從科研實驗項目脫胎出來的科技公司。所以他們聯(lián)合了各個國家的公司、實驗室等優(yōu)質(zhì)資源，從資本、科研到供應(yīng)鏈展開了全方位的合作。比如，這根燃料棒是在美國研發(fā)、與AREVA聯(lián)合生產(chǎn)的：

而這種代號為HT9、用來制作燃料包殼的新型合金，是TerraPower與美國愛達(dá)荷州國家實驗室、密歇根離子流實驗室、日本神戶鋼鐵等多方合作的產(chǎn)物。

為電站操作員提供培訓(xùn)的模擬機，也已經(jīng)做好了（想想蓋茨，也知道他們在計算和計算設(shè)備方面必定走在最前沿）：

我盯著這三塊神奇的屏幕看了好幾分鐘，感覺確實配得上四代核電的名號。

雖然TerraPower顯得頗有信心，但個人認(rèn)為工期這個事情，你真的不能太認(rèn)真。畢竟核電項目實在是過于龐大，而且設(shè)計、建造的要求又及為苛刻。所以哪個倒霉環(huán)節(jié)出了點問題，導(dǎo)致Deadline不保也是核電建設(shè)中的常事兒。所以，TerraPower聯(lián)合了全球核電界最靠譜的國家，這不：

2015年9月，TerraPower和中核集團簽訂了諒解備忘錄，雙方確定在中國合作建造一座行波堆，有望在2023年建成。這會是全球第一座TWR嗎？

我們拭目以待。

TWR相比當(dāng)代的輕水堆，從經(jīng)濟性到安全性上都有它固有的優(yōu)勢。

但反應(yīng)堆設(shè)計是融合了眾多學(xué)科的龐大工程，其中的不確定性也是司空見慣。

所以不必問行波堆行不行，就算某天行波改成了駐波您也別大驚小怪。只要全球核電行業(yè)保持健康的發(fā)展，只要人類的環(huán)境和能源危機仍然沒有解決，更先進(jìn)更安全反應(yīng)堆的開發(fā)工作就一天也不會暫停。

后記

這篇文章整整花了我一個多星期的業(yè)余時間。從立意、收集資料到實際撰寫文章都異常困難，我不只一次想要嘔吐，想要放棄。

但受著Bill Gate“讓人人都能用上清潔能源”夢想的感召，我也滿懷憧憬的堅持筆耕不輟。

終于要完稿的那個深夜，我在Google Scholar檢索到不止一篇唱衰TWR的論文（感興趣的請點擊閱讀原文，看一其中一篇論文）

我的內(nèi)心真的崩潰了。到底這四五千字的文章有沒有價值？會不會在我把它發(fā)出來之前一個小時，Mr. Gates就已經(jīng)給高管們發(fā)郵件決定停止TWR的研發(fā)了？

于是我起身去喝了一口剩啤酒壓壓驚。就在我冷靜下來的一瞬間，一道光束照亮了黑暗的夜空，那是人類千萬年來追尋真理時的勇氣之光。

失敗的項目何止一個？

但無論最終勝利者為何人，科技發(fā)展終會造福人間。

作者：褚瑞