连比尔盖茨都看好的行波堆，到底行不行？

2016年，60岁的比尔盖茨以78.6亿美元的身价蝉联了世界首富的桂冠。这么多钱可怎么花？盖茨自然有大把花钱的地方：一个是Bill & Melinda

2016年，60岁的比尔盖茨以78.6亿美元的身价蝉联了世界首富的桂冠。这么多钱可怎么花？盖茨自然有大把花钱的地方：一个是Bill & Melinda Gates Foundation，也就是以他和他妻子命名的慈善基金会；另一个，就是盖茨担任董事会主席的TerraPower公司。

TerraPower是美国一家致力于第四代核电站技术研究和应用的科技公司，他们的主力堆型是TWR（Traveling Waves Reactor），中文多译作「行波堆」。盖茨在20几岁就开始了自己改变世界的旅程，那这一次，他和TerraPower能够改变世界的能源现状吗？

核能 - Bill Gates的选择

2008年，从微软抽身出来的盖茨全身心的投入到了慈善基金会的工作上。这个基金会致力于在全球范围内减少贫困和饥饿，并利用科技手段拯救生命、提供更好的教育。这些工作直接展现了盖茨对人类困境的思虑和行动。

有了这个情怀做基础，也就不难理解他为何钟情于下一代核反应堆的研发与推广。想必盖茨也坚信，核能才是解决人类能源和环境危机的最可靠保障。

缘起TerraPower

在美国，不仅仅有比尔盖茨一个人看好核能的未来。一家名叫Intellectual Venture的发明&专利获取公司（后面就简称「IV」了）早就致力于TWR的研究。在2008年，TerraPower在获得了来自盖茨和其他机构的资金支持之后，终于从IV公司的一个实验项目转型成为一家真正的公司。

TerraPower 的公司总部位于美国华盛顿。那里汇集了全美众多的科学家和工程师，致力于第四代反应堆、主要是TWR（行波堆）的研究和开发工作。如今在TerraPower，除了主要对TWR进行研究及推广之外，其他第四代堆型诸如熔盐堆等也在其研究范围内。

作为TerraPower主攻的技术方向，TWR（Traveling Wave Reactor）在安全性、可靠性和经济性等重要评价指标上都有诸多过人之处。

TWR - 行波堆

虽然TWR是TerraPower公司的技术，但TerraPower只是又一次的「站在了巨人的肩膀上」。他们并非TWR的开创者，而是完善TWR技术、并实现其商业化运营这一目标的实践者。

• 什么是「行波」

其实，我第一次见到Traveling Wave Reactor，或者「行波堆」这个说法的时候，内心是及其崩溃的。因为从字面上我们完全没办法了解它到底表达的是个什么意思。（行波堆？和仁波切又有什么联系吗？）

如果用白话来解释行波堆，我觉得应该是这样的：

• 所谓「行」，是指燃料棒上功率产生的位置是随时间而「移动」的，这就像蜡烛的火焰会随着蜡烛燃烧而越来越低一样。
• 所谓「波」，是指能量以“波”的形式散发出来。

综合起来，「行波」就是指“能量波沿着燃料棒轴向不断移动”的意思（可参考上图）。

• TWR发展史

其实，TWR的雏形可以追溯到大半个世纪前（那时候的人们到底有多热爱核能啊）。在1958年，一位叫做Savelli M. Feinburg的科学家首次提出了将贫铀或天然铀维持在一种自我增殖的条件下，从而维持反应堆运行的快堆理念，这也就形成了TWR的理论基础。这个理论在20世纪70年代、90年代和21世纪前10年分别经历了几次重大的发展，并最终归入了TerraPower的怀抱。

关于整个TWR技术的极简发展历史，可以看看这个时间表：

• 反应堆概况

与已有的反应堆相比，TWR最大的不同是可以使用贫铀(U-238)甚至天然铀核作为燃料。在反应堆运行期间，燃料一直在自我持续“繁殖-消耗”(breed-burn)这一循环。这一技术也直接支撑了TWR的“一次装料，直至退役”的设计理念。也就是说，反应堆内的非核燃料可以重新被转换为可发生裂变反应的核燃料，从而消除了换料的过程，基本消除了对核燃料扩散的担忧，并具有更好的经济性。以下是TWR的主要特性：

除了前面提到的诸多先进性以外，TWR相对于普通轻水堆还有很多其他的优势：

• 在燃料的利用率上提高了50倍（目前核电站对核燃料的利用率仅在1%左右），极大的提高了经济效益。
• 消除了核废料处理的需要；极大减少（基本消除）了对浓缩铀的长期需要。
• 在电站运行过程中即可将贫铀转化成可作为可再次使用的燃料。从铀的天然储量来看，实际上铀会变成用之不竭的自然资源。
• 反应堆重要部件

TWR的堆芯在地表以下、冷却剂采用池式结构（一回路无管道）、运行压力为大气压。整个反应堆的结构如下图：

1. Containment Dome 安全壳

安全壳安装的是非放射性装置。在事故工况时，安全壳可以作为一道安全屏障。在未来的电站设计中，安全壳会安装于核岛厂房内，相应的又增加了一层安全屏障。

2. Reactor Vessel/Reactor Guard Vessel 压力容器和压力容器保护层

压力容器及其保护层中安装的是被液态钠淹没的堆芯及其组件。在这种池式的堆芯冷却结构中没有管道，从而消除了发生LOCA(Loss of Coolant Accident, 失去冷却剂事故)的风险。

3. Reactor Core 堆芯

TWR真正的创新就它的堆芯。堆芯的中心是一些浓缩铀(U-235)燃料棒；它们的周围，是贫铀(U-238)燃料棒。U-235在这里被用作点火装置，启动行波反应 (Traveling Wave Reaction)。这种缓慢进行的链式反应所产生的裂变平行波聚集在堆芯中央，缓慢的消耗着核原料。

4. In-Vessel Fuel Handling Machine 堆内燃料处理机

为了让裂变反应可以持续，堆内燃料处理机会定期的将堆芯中心的燃料棒与外缘燃料棒进行交换。

5. Control and Safety Rods 控制棒和安全棒

控制棒和安全棒悬吊在堆芯上方。控制棒受机械装置控制，通过插入或拔出控制棒来调节反应堆功率。安全棒只受重力控制，在事故工况下紧急掉入堆芯，迅速停堆。

6. Primary Sodium Pool 一回路钠池

一回路钠池中的液态钠将堆芯包围。TWR以自然的物理定律为基础，并结合了先进的钠冷却剂来提升热交换性能，并维持高安全系数。

7. Intermediate Heat Exchangers 中间级热交换器

中间级热交换器安全的实现了主回路钠池和二回路液态钠环路之间的热量交换。二回路负责将热量传递给蒸汽发生器。

8. Direct Reactor Auxiliary Cooling System 反应堆辅助冷却系统

反应堆辅助冷却系统在常规冷却路径不可用时启动，负责排出反应堆内衰变产生的余热。

• 安全特征

顺利通过安全评审，是TWR走向商用过程中的要一环。TerraPower在设计过程中广泛参考了全球各个标准体系中的安全要求，包括NRC, IAEA, IEEE和ASME的法规、标准和导则等等。

作为第四代反应堆，TWR采取了被动安全的特性来缓解事故后果。TWR的安全功能不依赖外部电源。同时，TWR的安全功能还可以在发生一些「超设计基准事故」时保证反应堆的安全。

TWR的一些关键的安全功能：

• 池式的一回路是一个巨大的热阱，事故工况时冷却剂升温缓慢，很大程度上降低了事故的发展速度。（想想福岛）
• TWR的金属燃料元件的能量保持特性比传统的氧化物燃料低的多，在事故工况时会释放更少的能量。（又想福岛）
• 运行时不会产生氢气。（还想福岛）
• 被动安全特性的余热排出系统依靠自然循环，不依赖电能。（再想福岛）

上面只是从3个方面介绍了TWR的整体情况，虽然不是很详尽，但我已经非常期待TWR的实验堆、以及商用堆的早日到来了，这简直是人类获取能源方式的一次革命。那TerraPower到底有没有一个时间表呢？又或者，是不是有更加革命性的创新会在未来发生？

TerraPower与TWR的未来

TWR完全定型了吗？并没有。TerraPower有一个确定的时间表吗？希望是。其实早在2008年成立伊始，TerraPower就已经为TWR制定时间表了。其中首个重要的时间是要在2020年实现600MW原型堆启动。

不过，建设核电站是个相当庞大的工程，不可能由一家公司独立完成，更何况TerraPower只是家从科研实验项目脱胎出来的科技公司。所以他们联合了各个国家的公司、实验室等优质资源，从资本、科研到供应链展开了全方位的合作。比如，这根燃料棒是在美国研发、与AREVA联合生产的：

而这种代号为HT9、用来制作燃料包壳的新型合金，是TerraPower与美国爱达荷州国家实验室、密歇根离子流实验室、日本神户钢铁等多方合作的产物。

为电站操作员提供培训的模拟机，也已经做好了（想想盖茨，也知道他们在计算和计算设备方面必定走在最前沿）：

我盯着这三块神奇的屏幕看了好几分钟，感觉确实配得上四代核电的名号。

虽然TerraPower显得颇有信心，但个人认为工期这个事情，你真的不能太认真。毕竟核电项目实在是过于庞大，而且设计、建造的要求又及为苛刻。所以哪个倒霉环节出了点问题，导致Deadline不保也是核电建设中的常事儿。所以，TerraPower联合了全球核电界最靠谱的国家，这不：

2015年9月，TerraPower和中核集团签订了谅解备忘录，双方确定在中国合作建造一座行波堆，有望在2023年建成。这会是全球第一座TWR吗？

我们拭目以待。

TWR相比当代的轻水堆，从经济性到安全性上都有它固有的优势。

但反应堆设计是融合了众多学科的庞大工程，其中的不确定性也是司空见惯。

所以不必问行波堆行不行，就算某天行波改成了驻波您也别大惊小怪。只要全球核电行业保持健康的发展，只要人类的环境和能源危机仍然没有解决，更先进更安全反应堆的开发工作就一天也不会暂停。

后记

这篇文章整整花了我一个多星期的业余时间。从立意、收集资料到实际撰写文章都异常困难，我不只一次想要呕吐，想要放弃。

但受着Bill Gate“让人人都能用上清洁能源”梦想的感召，我也满怀憧憬的坚持笔耕不辍。

终于要完稿的那个深夜，我在Google Scholar检索到不止一篇唱衰TWR的论文（感兴趣的请点击阅读原文，看一其中一篇论文）

我的内心真的崩溃了。到底这四五千字的文章有没有价值？会不会在我把它发出来之前一个小时，Mr. Gates就已经给高管们发邮件决定停止TWR的研发了？

于是我起身去喝了一口剩啤酒压压惊。就在我冷静下来的一瞬间，一道光束照亮了黑暗的夜空，那是人类千万年来追寻真理时的勇气之光。

失败的项目何止一个？

但无论最终胜利者为何人，科技发展终会造福人间。

作者：褚瑞