《1.引言》
1.引言
泰拉能源公司(TerraPower)及其在核領(lǐng)域的創(chuàng)新起源于比爾·蓋茨、內(nèi)森·梅爾沃德、羅威爾·伍德和眾多專家于2006年在華盛頓州貝爾維尤市舉行的集體討論會(huì)上的決議。討論的中心是如何為地球上的所有居民提供可持續(xù)的、可擴(kuò)展的低碳能源。會(huì)議討論涉及了所有的能源生產(chǎn)形式，包括各種太陽能和風(fēng)能。盡管上述能源類型和其他能源技術(shù)被認(rèn)為是很重要的，但是顯然，在任何時(shí)間尺度上，核能都是唯一所知的、能在以環(huán)境可接受的方式提供基本負(fù)荷電力方面起到必要的中心作用的能源技術(shù)。
討論會(huì)還得出結(jié)論，通過嚴(yán)格應(yīng)用21世紀(jì)的技術(shù)、數(shù)據(jù)和建模能力，核能發(fā)電技術(shù)能夠得到顯著的改進(jìn)。對核電的獨(dú)特潛力及其技術(shù)有待提高的認(rèn)識(shí)與全球環(huán)境現(xiàn)代主義團(tuán)體最近發(fā)表的結(jié)論是一致的?。
?參考文獻(xiàn)[1]中給出了一些公認(rèn)的行業(yè)內(nèi)專家對環(huán)境與能源關(guān)系的共識(shí)。
有一個(gè)小團(tuán)體于2007年年初開始組織活動(dòng)，并最終發(fā)展成為泰拉能源公司。該團(tuán)體的目標(biāo)是在核企業(yè)盡可能多的領(lǐng)域進(jìn)行改進(jìn)，包括安全、廢物、效率、經(jīng)濟(jì)性、反武器擴(kuò)散、恐怖襲擊風(fēng)險(xiǎn)降低和整體社會(huì)的可接受性等領(lǐng)域。該團(tuán)體考慮了多種反應(yīng)堆，包括現(xiàn)有的反應(yīng)堆和新的反應(yīng)堆的概念。隨著評估的進(jìn)行，當(dāng)時(shí)由羅威爾·伍德提倡的行波堆的概念能夠推動(dòng)上述領(lǐng)域的改進(jìn)的想法日趨明顯。
在最早的行波堆中，增殖轉(zhuǎn)而燃燒可裂變材料的波在貧化鈾或天然鈾的圓柱介質(zhì)中傳播。在2007年，人們考察了數(shù)十種燃料和冷卻劑，以使行波堆的理念進(jìn)一步實(shí)用化。
研究人員發(fā)現(xiàn)一種利用了金屬鈾燃料的鈉冷卻反應(yīng)堆最有前景。此組合提供了支撐堆芯能量密度所需的導(dǎo)熱系數(shù)和冷卻效率，同時(shí)能夠維持現(xiàn)實(shí)的燃料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，為了使燃料倒換和冷卻系統(tǒng)簡化可行，需要在堆芯內(nèi)移動(dòng)燃料，而不是讓增殖/燃燒波在堆芯內(nèi)傳播。
行波堆的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已被廣泛地研究和量化。行波堆使用貧化鈾和天然鈾作為換料燃料，這樣就使美國和中國國內(nèi)儲(chǔ)備的使用時(shí)間可以延長數(shù)百年。該目的無需事前開發(fā)、投資和建造后處理設(shè)施即可實(shí)現(xiàn)。在使用低濃縮的堆芯啟動(dòng)第一個(gè)反應(yīng)堆后，無數(shù)的后續(xù)行波堆可以持續(xù)運(yùn)行數(shù)百年并且無需任何235U濃縮啟動(dòng)燃料。第6節(jié)概括了這種極其高效的、簡單的、一次通過式燃料循環(huán)的基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，并顯示在未來的75年里，大規(guī)模使用行波堆有可能累計(jì)節(jié)省數(shù)萬億美元。
對于行波堆理念的發(fā)展而言，安全性無疑是最重要的因素。這種高溫低壓的系統(tǒng)利用了金屬燃料和冷卻劑的優(yōu)勢，其固有的安全特性遠(yuǎn)超現(xiàn)有的反應(yīng)堆。
對于單位發(fā)電量來說，行波堆產(chǎn)生的核廢料比輕水堆少將近80%。這與美國和其他國家和地區(qū)目前正在開發(fā)測試的深鉆孔核廢料處置方法非常一致。
由于對濃縮設(shè)施需求的減少，除十多年一次的停機(jī)換料外，燃料長期被隔離在核島中，并且避免了使用后處理設(shè)施，武器擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)也隨之降低。
行波堆所有上述特征和對基礎(chǔ)設(shè)施要求的減少使其全球推廣使用變得簡單。一個(gè)購買行波堆的國家不需要開發(fā)復(fù)雜龐大的配套設(shè)施網(wǎng)絡(luò)就可以保證行波堆的持續(xù)性。預(yù)計(jì)國際原子能機(jī)構(gòu)對新核成員國的資格預(yù)審程序?qū)?huì)大幅度簡化。
行波堆的開發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施將近九年了。數(shù)億美元已被投資在目標(biāo)明確且緊密協(xié)作的設(shè)計(jì)和開發(fā)活動(dòng)上。行波堆的商業(yè)化包括三個(gè)主要內(nèi)容：第一個(gè)行波堆的設(shè)計(jì)和建設(shè)，為行波堆燃料、組件和系統(tǒng)全面商業(yè)化的資格服務(wù)[2]；商用行波堆設(shè)計(jì)和建設(shè)；綜合且重點(diǎn)突出的技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目在合理和可獲許可的基礎(chǔ)上為這些目標(biāo)的達(dá)成提供支持。
由于上述共同利益需求，中國政府和美國政府許可了關(guān)于行波堆的技術(shù)交流。在過去的幾年里，中美成功地開展了深入的聯(lián)合審查，目前正在探討共同開發(fā)。
《2.反應(yīng)堆和電廠設(shè)計(jì)》
2.反應(yīng)堆和電廠設(shè)計(jì)
行波堆為大型鈉冷快堆，其設(shè)計(jì)意圖旨在為人口中心地區(qū)提供大量的基礎(chǔ)負(fù)荷電能?；诿绹蛧H在鈉冷快堆方面的成功經(jīng)驗(yàn)，通過重大創(chuàng)新建立的行波堆能夠?qū)崿F(xiàn)清潔、安全和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行并且無需燃料的后處理。
《2.1.反應(yīng)堆和電廠參數(shù)》
2.1.反應(yīng)堆和電廠參數(shù)
行波堆使用常規(guī)的鈉反應(yīng)堆架構(gòu)，由一個(gè)鈉主冷卻劑回路、一個(gè)鈉中間冷卻劑回路和一個(gè)蒸汽動(dòng)力轉(zhuǎn)換循環(huán)系統(tǒng)組成。行波堆堆芯產(chǎn)生的裂變能序列通過主回路和中間回路傳送到達(dá)蒸汽發(fā)生器，蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生過熱蒸汽。該蒸汽可被用來驅(qū)動(dòng)一臺(tái)蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。低溫的熱量通過一套水冷卻真空冷凝器排掉。
中間回路在主冷卻劑回路和高壓蒸汽循環(huán)系統(tǒng)之間起到屏障的作用。因此，即使任何組件出現(xiàn)泄漏或者破裂，也可確保堆芯的完整性和鈉主冷卻劑回路的邊界。行波堆主要組件和安全殼如圖1所示。
《圖1》
圖1.行波堆安全殼內(nèi)組件圖示。
行波堆使用水池式配置，在此配置中，主系統(tǒng)組件(堆芯、中間熱交換器和泵)均在反應(yīng)堆容器內(nèi)部的一個(gè)大的常壓鈉池中。反應(yīng)堆容器被一個(gè)單獨(dú)的保護(hù)容器包圍著。因此，即使反應(yīng)堆容器發(fā)生泄漏，鈉水平也能保持平穩(wěn)。這種布局被廣泛使用于反應(yīng)堆中，包括美國的第二代實(shí)驗(yàn)增殖反應(yīng)堆(EBR-II)、法國的鳳凰和超鳳凰堆、俄羅斯的BN-600和BN-800、中國的實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)和印度的原型快中子增殖反應(yīng)堆(PFBR)。使用一個(gè)鈉池具有減少必要管道和空間的優(yōu)勢，能夠提供較大的熱慣量，大大降低了冷卻劑泄露的可能性并避免了相應(yīng)的后果。
商用行波堆的設(shè)計(jì)凈額定電功率范圍是600MW到1200MW。這個(gè)范圍的功率水平允許從最初600MW電功率的原型電廠向更大的具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益的機(jī)組逐漸進(jìn)化。堆芯進(jìn)口溫度和出口溫度分別是360oC和510oC，對應(yīng)的電廠凈效率大約為41%，與現(xiàn)在的商用輕水堆約33%的典型效率相比，是巨大的進(jìn)步。
行波堆電廠的設(shè)計(jì)考慮了建設(shè)、維護(hù)和運(yùn)行，目的是最小化成本和最大化可用性。電廠設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)由經(jīng)驗(yàn)非常豐富的建筑工程師、設(shè)計(jì)師和有鈉冷快堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行人員組成，通過汲取人類工業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)采用最好的方法。作為美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)核能質(zhì)量保證-1(NQA-1)遵從計(jì)劃的一部分，流程的開發(fā)包括軟件控制、測試、設(shè)計(jì)、采購和部分制造活動(dòng)。通過使用分級法，泰拉能源公司在設(shè)計(jì)工作上取得了顯著進(jìn)展，同時(shí)也保持著適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)控制。
行波堆整體堆芯布局是典型的鈉冷快堆式，由繞絲圓柱型燃料棒的六角形組件和外面圍繞的鋼制套管組成。堆芯的控制通過插入堆芯的控制棒完成，并通過后備的安全棒確保反應(yīng)堆的獨(dú)立停堆。一些創(chuàng)新被應(yīng)用在燃料棒、燃料組件和安全系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)最佳的安全性和最優(yōu)的燃料利用率。
《2.2.堆芯技術(shù)》
2.2.堆芯技術(shù)
經(jīng)典的鈉冷快堆設(shè)計(jì)都需要相對高濃縮的換料燃料(濃縮度大于20%的超鈾元素或者235U)來達(dá)到臨界狀態(tài)，并且具有相對低的卸料燃耗(典型來說，消耗小于初始裂變原子數(shù)目的50%)。這導(dǎo)致一次通過式燃料利用率很低。因此，為了再利用燃料，需要在一次燃料循環(huán)后進(jìn)行燃料后處理。鈉冷快堆的一次通過式燃料利用率取決于兩個(gè)方面：第一，燃料的性能，即燃料在高輻照量下能夠無故障運(yùn)行的能力；第二，反應(yīng)活性，即燃料燃燒并積累裂變產(chǎn)物時(shí)能夠維持連鎖反應(yīng)的能力。
行波堆堆芯設(shè)計(jì)既提高了燃料的性能，又提高了燃料的反應(yīng)活性，可以使換料燃料濃縮度降低為零：裂變物質(zhì)近零的貧化鈾。關(guān)鍵新技術(shù)包括：
·一種優(yōu)化的燃料包殼材料；
·一種含鈾量高的金屬燃料合金；
·一種高燃耗、低變形的燃料棒設(shè)計(jì)；
·一種先進(jìn)的、低變形的組件套管；
·一種極低泄漏堆芯和燃料管理方案；
·提高堆芯內(nèi)在固有的響應(yīng)。
這些技術(shù)的組合賦予行波堆獨(dú)特的能力，使其能夠直接燃燒堆芯增殖的裂變?nèi)剂希虼藷o需單獨(dú)的后處理設(shè)施，即可利用非濃縮鈾發(fā)電。行波堆相應(yīng)的一次通過式燃料利用率為每噸非濃縮燃料170GW熱力–天(70GW電力–天)。與輕水堆相比，這相當(dāng)于燃料廢物減少了80%，在平衡狀態(tài)下鈾的利用率提高了35倍。
行波堆使用的燃料包殼材料是具有優(yōu)化微結(jié)構(gòu)的鐵素體–馬氏體鋼，能夠抵抗輻照引起的膨脹。行波堆的燃料材料結(jié)合了反應(yīng)活性最大的高鈾合金和異向性成長最小的微結(jié)構(gòu)，可以通過高生產(chǎn)率的制造過程生產(chǎn)。
行波堆燃料棒吸收了一些新功能以在允許高燃耗的同時(shí)使寄生性中子損失最小化。首先，利用低有效密度(燃料面積與總可使用面積的比)來最小化包殼上的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)包殼厚度的降低。當(dāng)包殼位于堆芯內(nèi)時(shí)，利用包殼內(nèi)的一個(gè)屏障來防止燃料包殼化學(xué)相互作用破壞包殼。使用銫吸氣劑和裂變氣體排氣系統(tǒng)來降低燃料棒內(nèi)的壓力和堆芯內(nèi)的移動(dòng)放射量。
行波堆燃料組件使用全新的燃料套管結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的鋼材，這些特征減少了燃料套管材料的用量，并且提高了反應(yīng)活性。為了進(jìn)一步提高反應(yīng)活性，行波堆使用相對大的、低泄漏的堆芯，該堆芯帶有幾排外圍低功耗組件裝配位置，可以供裝入的新?lián)Q料燃料進(jìn)行燃料增殖。
設(shè)計(jì)人員采取兩項(xiàng)措施來減少堆芯中鈉的數(shù)量：使用機(jī)械粘合燃料而不是鈉粘合燃料，使用緊湊的反應(yīng)堆燃料棒柵格。鈉的減少既提高了反應(yīng)活性，又提高了堆芯的安全性能。此內(nèi)容將在第4.1節(jié)中進(jìn)行進(jìn)一步的討論。
《3.設(shè)計(jì)和建模工具開發(fā)》
3.設(shè)計(jì)和建模工具開發(fā)
因?yàn)樾胁ǘ丫哂休^高的中子通量，其性能對堆芯內(nèi)燃料、結(jié)構(gòu)體和冷卻劑的相對含量特別敏感。因此，行波堆設(shè)計(jì)特別受益于高保真分析工具，這些工具可以實(shí)現(xiàn)更大程度的設(shè)計(jì)優(yōu)化。這些設(shè)計(jì)工具基于自早期鈉冷快堆設(shè)計(jì)以來計(jì)算能力和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)步。分析能力的提高不僅能夠產(chǎn)生更好的設(shè)計(jì)，而且通過在試驗(yàn)測試前先在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行概念設(shè)計(jì)可以允許設(shè)計(jì)迭代更快。
行波堆設(shè)計(jì)在以下領(lǐng)域中利用了計(jì)算工具的進(jìn)步：
·中子學(xué)和貧化；
·熱工水力學(xué)；
·燃料性能；
·力學(xué)和地震分析；
·安全和瞬態(tài)分析；
·數(shù)據(jù)管理、自動(dòng)化和優(yōu)化。
中子學(xué)分析利用了功能齊全的三維擴(kuò)散程序和蒙特卡洛程序，能夠生成均質(zhì)化、細(xì)節(jié)化的模型，同時(shí)利用中子核截面在線多普勒展寬和可移動(dòng)網(wǎng)格來記錄溫度和幾何結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果與臨界試驗(yàn)和以往的鈉冷快堆做了基準(zhǔn)對比，包括美國的“ZPPR”、俄羅斯的“BFS”測試和美國的快中子高通量試驗(yàn)裝置(FFTF)堆測試。
在熱工水力學(xué)中，燃料棒束分析利用了升級版子通道程序，升級版采用了近期的壓降和熱傳遞的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)性[3,4]，并且與加熱燃料束鈉流量試驗(yàn)進(jìn)行了基準(zhǔn)對比，如文獻(xiàn)[5]中所描述的試驗(yàn)。商用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)程序被用來描述復(fù)雜流動(dòng)幾何體的液體特性，如堆芯冷卻劑入口和上部內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)。
燃料性能分析使用專用的有限元程序ALCHEMY[6]進(jìn)行，該程序根據(jù)八個(gè)不同機(jī)制計(jì)算燃料棒變形，已經(jīng)成功與美國快堆項(xiàng)目的燃料性能數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了基準(zhǔn)比對。在該項(xiàng)目中，超過219000個(gè)金屬燃料棒接受了輻照(圖2)。組件燃料套管變形、組件的插拔力和堆芯震動(dòng)響應(yīng)的力學(xué)分析通過商用有限元程序進(jìn)行。組件的熱彎曲使用OXBOW程序來計(jì)算，這是一個(gè)現(xiàn)代的、基于有限元的、類似NUBOW[7]的堆芯力學(xué)程序版本。
《圖2》
圖2.ALCHEMY程序?[9,10]示例基準(zhǔn)結(jié)果。(a)對高燃耗燃料的預(yù)測；(b)對高溫燃料的預(yù)測。
?ALCHEMY結(jié)果與最終(較高的)燃料高度有關(guān)，然而數(shù)據(jù)與原來的燃料高度有關(guān)
瞬態(tài)分析用來描述不同條件下電廠的安全特性，分析使用的程序結(jié)合了SASSYS(阿貢國家實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)程序)和RELAP-5 3D(一種由輕水堆程序改寫的用于鈉冷快堆的行業(yè)系統(tǒng)程序)。這些程序已經(jīng)成功地同EBR-II和FFTF鈉冷快堆的數(shù)據(jù)進(jìn)行了基準(zhǔn)比對[8]。
這些建模工具通過一個(gè)名為高級反應(yīng)堆建模界面(ARMI)的數(shù)據(jù)管理框架聯(lián)系起來[11,12]。ARMI生成一個(gè)反應(yīng)堆堆芯模型，該模型可以用來進(jìn)行不同程序間的多方聯(lián)接。例如，燃料性能效果(裂變氣體遷移、燃料軸向膨脹)可以納入中子學(xué)模型中。再例如，熱工水力學(xué)結(jié)果可用于計(jì)算組件彎曲度，而組件彎曲度又可以用于中子學(xué)模型來計(jì)算一個(gè)反應(yīng)活性反饋曲線，該曲線可以輸入到系統(tǒng)分析程序中。所有這些功能都是自動(dòng)的，這大大提高了行波堆設(shè)計(jì)的效率。通過使用精密的建模，設(shè)計(jì)的效率進(jìn)一步得到了提高。這樣一來就可以提前預(yù)測復(fù)雜分析的結(jié)果。
這些建模工具由一個(gè)軟件管理計(jì)劃控制，該計(jì)劃對這些建模工具開發(fā)、配置控制和檢驗(yàn)與確認(rèn)做出了要求。該計(jì)劃執(zhí)行NQA-1標(biāo)準(zhǔn)的要求，幫助確保相關(guān)軟件能為核反應(yīng)堆取得許可提供支持。
《4.安全特征》
4.安全特征
行波堆從設(shè)計(jì)上就要求具有極高的安全度，并且要求其安全度超過現(xiàn)有的眾多輕水堆的安全度。安全運(yùn)行和事故響應(yīng)通過數(shù)個(gè)保護(hù)層的結(jié)合得以實(shí)現(xiàn)：
·保證反應(yīng)堆停堆的系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、固有反應(yīng)活性反饋和非能動(dòng)停堆系統(tǒng)；
·多個(gè)散熱通道，這些通道依靠低壓冷卻劑的自然循環(huán)將余熱排到空氣中；
·多個(gè)屏障防止堆芯的放射性物質(zhì)接觸環(huán)境。
上述的每一個(gè)特征都被設(shè)計(jì)成固有的自主運(yùn)行，不需要外在動(dòng)力或者操作。這些特征和它們的益處將在以下各節(jié)中進(jìn)行描述。
《4.1.保證停堆》
4.1.保證停堆
在事故中，全功率正常排熱途徑也許不能用。因此，為了只需從堆芯中排出少量的余熱，停堆是非常重要的。
行波堆使用一個(gè)反應(yīng)活性控制系統(tǒng)和一個(gè)通過將中子吸收劑插入到堆芯來關(guān)閉反應(yīng)堆的備用停堆系統(tǒng)。與現(xiàn)存的反應(yīng)堆類似，這些系統(tǒng)能自動(dòng)運(yùn)行。例如，當(dāng)溫度或者功率超過一定水平時(shí)，這兩個(gè)系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，并且它們很可靠。
除了這兩個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，行波堆還可通過其他方法停堆。其中一個(gè)方法就是堆芯的自然反應(yīng)活性反饋。行波堆與其他的大型鈉冷快堆一樣，具有一個(gè)反應(yīng)活性的正冷卻劑溫度系數(shù)：僅提高冷卻劑溫度就能增加裂變率。然而，其他反饋來源，包括燃料溫度反饋、燃料軸向膨脹和組件徑向彎曲，會(huì)在相反的方向上起作用，導(dǎo)致凈反饋為負(fù)，因此堆芯趨向自主穩(wěn)定。
此外，由于金屬燃料的運(yùn)行溫度較低，行波堆能夠承受無保護(hù)失熱阱事故。這是超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的事故。當(dāng)這種事故發(fā)生時(shí)，反應(yīng)堆的正常排熱能力喪失，反應(yīng)堆既無法通過控制棒停止也無法通過停堆棒停止。在此情形下，行波堆堆芯將會(huì)自我穩(wěn)定在近零功率水平，溫度保持在稍高于平均溫度的水平。
無保護(hù)冷卻劑流量喪失是另外一個(gè)極不可能發(fā)生的事件，即所有冷卻劑泵都失效，控制棒和停堆棒全部不能插入。這時(shí)，自然反饋機(jī)制不能通過快速降低堆芯功率來抵消冷卻劑流量突然喪失的影響。在此場景下，可通過利用一個(gè)對冷卻劑流量喪失被動(dòng)響應(yīng)的系統(tǒng)來迅速停止堆芯。這個(gè)方法與氣體膨脹模塊方法相似。氣體膨脹模塊方法在FFTF中被證實(shí)可以成功解決相同類型的事件[13]。
《4.2.余熱排出》
4.2.余熱排出
行波堆與輕水堆相比具有更高安全性的首要原因是停堆后從堆芯排除余熱更簡單，這可以防止堆芯被破壞的情況發(fā)生。這是因?yàn)樾胁ǘ延靡粋€(gè)大的低壓鈉冷卻劑池替代了壓力水。低壓、距冷卻劑沸騰的大裕量和采用位于地下的反應(yīng)堆容器有效地消除了冷卻劑喪失事故的潛在可能。冷卻劑池的大熱慣性意味著在瞬態(tài)過程中溫度是逐漸發(fā)生變化的，并且鈉的較高的溫度和更好的傳熱性能意味著利用簡單的自然循環(huán)系統(tǒng)就可以將所有余熱排到空氣中。
除了通過主要冷凝器的正常排熱，還可通過兩套輔助系統(tǒng)排除余熱。第一套系統(tǒng)就是一個(gè)高壓冷凝器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以從蒸汽循環(huán)中將熱排到空氣中，其通過通常的中間熱交換器和蒸汽發(fā)生器從反應(yīng)堆中排熱。第二套系統(tǒng)是四個(gè)獨(dú)立的直接反應(yīng)堆輔助冷卻系統(tǒng)(DRACS)的組合。每一個(gè)DRACS包括一個(gè)簡單的自然循環(huán)冷卻回路，一個(gè)從主冷卻劑中排熱的熱交換器和另外一個(gè)將熱排到空氣中的熱交換器。四個(gè)DRACS中的任何兩個(gè)就足夠排出所有余熱，這使其成為極為可靠的、完全獨(dú)立的排熱途徑。因?yàn)闊岜慌诺娇諝膺@個(gè)無限有效的散熱器中，在任何時(shí)期，余熱的排除都可以得到保證，無需外部動(dòng)力、補(bǔ)充水或者操作行為。
《4.3.防止放射性物質(zhì)逃逸》
4.3.防止放射性物質(zhì)逃逸
行波堆還具備一些幫助其防止放射性物質(zhì)逃逸到環(huán)境中的性能，這能夠減輕嚴(yán)重事故或者燃料事故的影響。金屬燃料與鈉具有化學(xué)相容性，因此，即使包殼破裂，也只有相對很少的裂變產(chǎn)物逃逸。作為燃料棒排氣系統(tǒng)的一部分，行波堆使用能與銫進(jìn)行化學(xué)結(jié)合的吸收材料。因?yàn)槠鋼]發(fā)性和水溶性，銫是一般放射性核素釋放中最重要的成分。通過燃料棒排氣口釋放的氙氣和氪氣同樣留在過濾系統(tǒng)中，減少了堆芯中存在的放射源項(xiàng)。金屬燃料和鈉冷卻劑也有極強(qiáng)的能力留住其他移動(dòng)的放射性核素，如碘。
鈉冷卻池自身被多重屏障保護(hù)著，包括一個(gè)惰性氬覆蓋氣體層，帶頂蓋和保護(hù)殼的反應(yīng)堆容器和中間冷卻劑回路。最后，整個(gè)主系統(tǒng)被一個(gè)密封的安全殼結(jié)構(gòu)包圍，防止放射性物質(zhì)逃逸，保護(hù)反應(yīng)堆設(shè)備不受外部事件的侵害，如風(fēng)攜帶來的物體、車輛影響和洪水。
《4.4.防止和減少鈉火災(zāi)》
4.4.防止和減少鈉火災(zāi)
因?yàn)殁c具備極佳的核和熱物理性能，使用時(shí)應(yīng)做好預(yù)防措施，以防止和減少鈉引起的火災(zāi)。如果鈉同空氣、水和某些種類的混凝土發(fā)生反應(yīng)，鈉火災(zāi)就會(huì)發(fā)生。行波堆的建造汲取了過去成功使用鈉冷卻劑和控制其化學(xué)反應(yīng)活性的經(jīng)驗(yàn)。
在行波堆中，任何中子激發(fā)之后變得具有放射性的主鈉冷卻劑裝卸系統(tǒng)均被封入充滿惰性氣體的、受監(jiān)控的襯鋼空間內(nèi)，以避免泄漏發(fā)生時(shí)出現(xiàn)任何鈉反應(yīng)。裝有中間鈉冷卻劑的系統(tǒng)和管道，也通過使用鋼制收集槽來防止鈉火災(zāi)。該收集槽帶有自熄式悶熄板。自熄式悶熄板的設(shè)計(jì)旨在確保氧氣被消耗并且得不到補(bǔ)充，從而阻止鈉發(fā)生反應(yīng)。蒸汽發(fā)生器自身使用系統(tǒng)來檢測泄漏或破裂，從而快速切斷水的供給，隔離蒸汽發(fā)生器，并將該系統(tǒng)內(nèi)的水排入儲(chǔ)罐，這樣就能使與鈉發(fā)生反應(yīng)的水量最小化。
即使產(chǎn)生鈉火，上述安全措施也不會(huì)失效。無論安全殼結(jié)構(gòu)還是余熱排除系統(tǒng)，都有能力承受超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的鈉火或泄漏事故，不會(huì)出現(xiàn)任何堆芯損壞。
《4.5.概率風(fēng)險(xiǎn)分析》
4.5.概率風(fēng)險(xiǎn)分析
行波堆的安全優(yōu)勢可以通過概率風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)證明。概率風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)估計(jì)由于內(nèi)部引發(fā)事件導(dǎo)致的堆芯損壞頻率低于每反應(yīng)堆年1×10–8[14]，這個(gè)數(shù)值比目前運(yùn)行的反應(yīng)堆的相關(guān)數(shù)值要低數(shù)個(gè)數(shù)量級。
在如此低的風(fēng)險(xiǎn)水平下，電站面對的首要危險(xiǎn)是罕見但卻災(zāi)難性的外部事件，首先是地震。為了應(yīng)對諸如此類的事件，反應(yīng)堆和余熱排出設(shè)備被強(qiáng)化以使其能夠承受相應(yīng)預(yù)期間隔期的地震震級(通常為萬年到百萬年)，并且在地震活動(dòng)活躍地區(qū)使用地震隔離系統(tǒng)。因?yàn)殡娬咀陨碓O(shè)計(jì)為可以無需外力安全停堆，所以與此事件相關(guān)的配套設(shè)施喪失不會(huì)危及電站。
有如此高的安全性，行波堆作為能源來源，對公眾健康影響極小。與其他化石燃料燃燒相比，核能對人的健康影響小得多，行波堆也將繼承核能的這一優(yōu)點(diǎn)[15]。
《5.項(xiàng)目開發(fā)》
5.項(xiàng)目開發(fā)
為了降低行波堆設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，大量與行波堆開發(fā)和測試項(xiàng)目相關(guān)的工作正在進(jìn)行。項(xiàng)目可分為以下類別：
·燃料和材料(如燃料、包殼和燃料套管等)；
·其他堆芯內(nèi)和反應(yīng)堆殼內(nèi)系統(tǒng)和組件(如控制棒、燃料裝卸機(jī)和熱交換器等)；
·中間鈉系統(tǒng)和組件(如泵、閥門和蒸汽發(fā)生器等)；
·電站配套系統(tǒng)和組件(如渦輪發(fā)電機(jī)和冷凝器等)。
被選用的系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件的評估使用最初由美國國家航空航天局(NASA)為評估和確定系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件成熟水平而開發(fā)的詳細(xì)的技術(shù)成熟度等級(TRL)。遵循此方法體系，泰拉能源公司執(zhí)行評估和技術(shù)成熟度評價(jià)(TRA)，為每個(gè)核島系統(tǒng)、子系統(tǒng)和行波堆選用的組件建立TRL排序。涉及優(yōu)先級和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)降低方面，這些評級為開發(fā)、測試和設(shè)備鑒定項(xiàng)目提供指導(dǎo)。
至今，泰拉能源公司已經(jīng)同全球50多個(gè)工業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、國家實(shí)驗(yàn)室簽訂了合約，根據(jù)上述TRA展開工作。其中包括在國際上與日本神戶制剛所、俄羅斯核反應(yīng)堆研究所(NIIAR或RIAR)的合作，以及國內(nèi)與美國的公司和多個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)的合作(圖3)。
《圖3》
圖3.泰拉能源公司在美國的合作地圖。
在以下章節(jié)中，將重點(diǎn)敘述泰拉能源公司在燃料和材料領(lǐng)域所做的工作，同時(shí)，重點(diǎn)闡述在華盛頓州貝爾維市所做的支持上述其他主要項(xiàng)目的工作。
《5.1.材料和金屬燃料開發(fā)》
5.1.材料和金屬燃料開發(fā)
為了在只需追加貧化鈾或天然鈾燃料(即不需補(bǔ)充濃縮材料)的情況下實(shí)現(xiàn)最終的增殖和燃燒平衡，燃料和材料需要達(dá)到高燃耗和高中子通量，燃料峰值燃耗大約為30%，包殼和堆芯內(nèi)組件的中子通量需達(dá)到大約1.1×1024nts·cm–2(約550dpa，E>0.1MeV)。這些燃耗和中子通量值遠(yuǎn)超過了過去所實(shí)現(xiàn)的水平[16]，需要附加試驗(yàn)。
泰拉能源公司已經(jīng)啟動(dòng)一個(gè)燃料和材料開發(fā)和鑒定項(xiàng)目，項(xiàng)目內(nèi)容包括燃料的制造開發(fā)、輻照測試和輻照后檢驗(yàn)(PIE)，目的是為行波堆取得許可和最終建設(shè)提供必要的信息。鐵素體–馬氏體不銹鋼HT9已被選為行波堆燃料包殼和燃料組件套管的材料，原因在于：①它具有數(shù)量最多的輻照數(shù)據(jù)；②與奧氏體不銹鋼相比，它顯示出最佳的膨脹性能(圖4)；③作為包殼和燃料套管材料，它擁有被用于快堆運(yùn)行和制造的歷史。
《圖4》
圖4.快中子通量實(shí)驗(yàn)裝置(FFTF)輻照引發(fā)的SS316和HT9燃料棒的膨脹。圖片來自太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室。
然而，從歷史角度來看，HT9的膨脹性能并不穩(wěn)定，如圖5所示。作為開發(fā)項(xiàng)目的一部分，泰拉能源公司開發(fā)了一種優(yōu)化型HT9，其能夠承受更高的中子通量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了膨脹度最小并且能夠再生產(chǎn)。
《圖5》
圖5.FFTF中不同溫度下HT9的膨脹行為。
為了進(jìn)一步降低不確定性，泰拉能源公司正與密歇根大學(xué)合作進(jìn)行HT9的重離子輻照，涉及以往使用過的材料和新型/改進(jìn)型材料。重離子輻照被用來快速獲取材料行為的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)(如輻射膨脹)，幫助研究人員確定材料制作參數(shù)。使用重離子輻照的一個(gè)優(yōu)勢就是在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高劑量。至今，泰拉能源公司的樣本已經(jīng)接收的劑量高達(dá)1.3×1024nts·cm–2(650dpa)，并且觀察到的膨脹度很低。在重離子輻照下，以往使用過的和新型/改進(jìn)型HT9的膨脹比較如圖6所示，在圖中，綠色柱狀圖代表優(yōu)化的HT9樣本。
《圖6》
圖6.優(yōu)化型HT9在重離子輻照下膨脹度降低，見樣本2和樣本3[17]。在440°C下膨脹。
在愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室，泰拉能源公司的合約內(nèi)容包括歷史快中子通量燃料棒PIE，開發(fā)和建設(shè)試點(diǎn)范圍燃料制造設(shè)施，以及先進(jìn)試驗(yàn)堆中的先進(jìn)燃料試驗(yàn)。這些燃料棒結(jié)合美國能源部(DOE)燃料測試項(xiàng)目，正在被輻照。隨著附加試驗(yàn)的完成，自2015年年末開始，將接受歷時(shí)兩年的PIE。
俄羅斯NIIAR(RIAR)的BOR-60反應(yīng)堆正在被用來進(jìn)行材料樣本輻照[18]。反應(yīng)堆中的輻照試驗(yàn)臺(tái)總計(jì)可以容納近1500個(gè)材料樣本。除了泰拉能源公司的樣本，這些樣本還包括之前輻照過的中子劑量高達(dá)155dpa的材料。
BOR-60還被用來輻照試驗(yàn)燃料棒，為燃料許可的獲取提供支持。預(yù)期第一套試驗(yàn)燃料棒將于2018年開始輻照，愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室的試點(diǎn)燃料制造設(shè)施將被用來制造這些試驗(yàn)燃料棒。一旦這些燃料棒達(dá)到預(yù)期的燃耗，愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室還將開展PIE。
最后，作為制造驗(yàn)證試驗(yàn)和壓降試驗(yàn)，泰拉能源公司同阿?，m集團(tuán)簽約建設(shè)一個(gè)全尺寸的行波堆燃料組件(圖7)。這個(gè)組件表明緊密度容限可以從制造的角度進(jìn)行處理，被成功用于大型鈉冷快堆燃料組件的熱工力學(xué)模型基準(zhǔn)測試。
《圖7》
圖7.全尺寸行波堆制造驗(yàn)證燃料組件。
《5.2.泰拉能源公司的試驗(yàn)》
5.2.泰拉能源公司的試驗(yàn)
泰拉能源公司使用位于華盛頓州貝爾維市的面積約為10000ft2(約929m2)的專門的實(shí)驗(yàn)室空間進(jìn)行工程試驗(yàn)，如此大的空間面積足夠用來裝卸實(shí)際大小的組件。試驗(yàn)空間有一個(gè)流量試驗(yàn)回路，有研究力學(xué)、結(jié)構(gòu)、震動(dòng)、一體化的系統(tǒng)以及鈉和材料特性的能力。試驗(yàn)空間里還有可以重構(gòu)的站點(diǎn)，目前還有支持組件試驗(yàn)、堆芯設(shè)計(jì)和各種核電站系統(tǒng)特定功能的裝備(見圖8)。
《圖8》
圖8.泰拉能源公司實(shí)驗(yàn)室的力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。
試驗(yàn)空間足夠靈活，可以為不同系統(tǒng)和組件提供試驗(yàn)和測試裝備，有能力容納充足的液態(tài)鈉，以支持規(guī)劃的設(shè)備和流程開發(fā)。這種機(jī)構(gòu)內(nèi)部的試驗(yàn)?zāi)芰κ侵匾?，因?yàn)樘├茉垂疽掷m(xù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)和分析正在使用的程序。
《5.3.原型行波堆》
5.3.原型行波堆
行波堆的商業(yè)化計(jì)劃包括首先建造一個(gè)原型反應(yīng)堆，被稱為TWR-P，文獻(xiàn)[2]中對其有詳細(xì)描述。原型堆將示范商用鈉冷快堆的建造、運(yùn)行和維護(hù)，該原型堆具有全尺寸的系統(tǒng)和設(shè)備，包括堆芯、泵、熱交換器和蒸汽渦輪。原型堆的堆芯基于已確立的燃料技術(shù)，將作為一個(gè)多用途的平臺(tái)來檢驗(yàn)先進(jìn)燃料技術(shù)，這些先進(jìn)燃料可供后續(xù)機(jī)組使用。因此，原型行波堆將使隨后幾代的商用行波堆的推廣成為可能。
《6.益處》
6.益處
行波堆設(shè)計(jì)的目的是提供目前其他核能發(fā)電和非核能發(fā)電所沒有的多重優(yōu)勢。其益處有以下幾個(gè)方面：
·安全性
·經(jīng)濟(jì)性
·防核擴(kuò)散
·能源安全
·健康和環(huán)境
總體來說，這些益處意味著行波堆技術(shù)在21世紀(jì)和以后人類能源前景中將發(fā)揮重大作用。
《6.1.安全性》
6.1.安全性
如第4節(jié)所述，行波堆具備很高的安全性，發(fā)生重大輻射事件的概率極小，不可能發(fā)生福島那樣的事故。由于其更簡單、更高效的燃料循環(huán)，行波堆降低了燃料處理、運(yùn)輸和處置過程中的事故可能性，消除了用于制作放射性分散設(shè)備的放射材料轉(zhuǎn)移的機(jī)會(huì)。
《6.2.經(jīng)濟(jì)性》
6.2.經(jīng)濟(jì)性
行波堆的平準(zhǔn)化電力成本預(yù)計(jì)比今天在建的輕水堆的電力成本要低。行波堆收益隔夜成本的資本成本估計(jì)與現(xiàn)代的輕水堆相當(dāng)。同時(shí)，由于其更低的燃料和處置要求，行波堆在運(yùn)行成本上有很大優(yōu)勢。在60年的服役期限中，與相同規(guī)模的輕水堆或者傳統(tǒng)的鈉冷快堆相比，運(yùn)行一座補(bǔ)充非濃縮鈾的1.15GW電的行波堆將少花費(fèi)40億到50億美元。消除了后處理廠的必要和降低了濃縮的需要可以另外節(jié)約數(shù)千億美元的基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)成本。想象一下，自21世紀(jì)30年代起，如果行波堆成為未來核能計(jì)劃增長的一部分(到22世紀(jì)，行波堆將獲得約450GW的發(fā)電能力)，那么減少的成本將超過一萬億美元。
《6.3.防核擴(kuò)散》
6.3.防核擴(kuò)散
行波堆的防核擴(kuò)散已經(jīng)通過對核燃料循環(huán)每一階段防核擴(kuò)散的評估進(jìn)行了分析，如文獻(xiàn)[19]。這些分析顯示行波堆避免燃料后處理和降低燃料濃縮的策略加強(qiáng)了其防核擴(kuò)散能力，減少了世界上核武器材料生產(chǎn)的數(shù)量。
《6.4.能源安全》
6.4.能源安全
表1對行波堆的燃料和處置/后處理要求與輕水堆和閉合循環(huán)的鈉冷快堆進(jìn)行了比較。行波堆先進(jìn)的堆芯技術(shù)和設(shè)計(jì)使其對資源要求更低，使擁有行波堆的國家更少地依賴開采或者進(jìn)口鈾。常規(guī)天然鈾儲(chǔ)備加上現(xiàn)存貧化鈾庫存足夠驅(qū)動(dòng)1000GWe(是當(dāng)前核發(fā)電能力2.5倍)的一群行波堆核電站近2000年。同時(shí)，避免了濃縮和后處理，大大降低了國家建立政治敏感的燃料循環(huán)設(shè)施的必要。
《表1》
表1 不同堆型每千兆瓦電力的典型燃料服務(wù)
《6.5.健康和環(huán)境》
6.5.健康和環(huán)境
行波堆是無污染、無碳的能源來源，能幫助我們的地球和地球上的居民保持健康和安樂。因?yàn)闃O其低的事故概率和減輕相應(yīng)后果的能力，行波堆對公共健康的影響比如今的核電站要更小。人們認(rèn)為用今天的核電站代替化石燃料發(fā)電提高了平均壽命[20]。核能對避免對環(huán)境造成消極影響和控制溫室氣體排放貢獻(xiàn)巨大，行波堆通過減少84%的開采量，減少100%的燃料后處理和減少80%的廢物運(yùn)輸和處置，能進(jìn)一步降低對環(huán)境的影響。
《6.6.近期和長期益處》
6.6.近期和長期益處
此處所講的關(guān)于行波堆的好處得益于其啟動(dòng)時(shí)使用濃縮鈾，然后使用非濃縮鈾作為換料燃料持續(xù)運(yùn)行。即使在使用非濃縮鈾燃料之前，使用低濃縮鈾作為燃料的行波堆仍然可以獲得巨大好處。例如，與輕水堆相比，一座使用5%濃縮鈾作為燃料的行波堆(類似于今天的輕水堆)使開采、濃縮和處置要求減少了二分之一，并且對燃料技術(shù)進(jìn)步的要求并不大(如300dpa材料)。
下一代行波堆的上述好處更大。下一代行波堆是第二代行波堆，在第一代壽命終結(jié)時(shí)將取代第一代。在此情形下，第一代的堆芯被轉(zhuǎn)移到新的后繼電站。新的電站啟動(dòng)無需235U濃縮啟動(dòng)堆芯。因此，這種電站的終生濃縮鈾需求為零。那些在快堆燃料補(bǔ)給和倒換以及輕水堆燃料補(bǔ)加業(yè)務(wù)上有經(jīng)驗(yàn)的人士認(rèn)為這對同一地點(diǎn)的反應(yīng)堆來講是可行的。進(jìn)一步的燃料開發(fā)也能把輕水堆卸出的乏燃料轉(zhuǎn)換為金屬形式作為行波堆的補(bǔ)加換料燃料使用。
還有很重要的一點(diǎn)需要指出，那就是，當(dāng)群體中的電站數(shù)量達(dá)到平衡時(shí)(新電站和退役電站的數(shù)量相等)，核電站將顯現(xiàn)顯著的群體效益。在此條件下，不需要濃縮或者后處理來維持整個(gè)電站群的運(yùn)行。進(jìn)一步講，由于對所有已經(jīng)開采鈾的有效使用，這種有益的平衡能夠持續(xù)很多個(gè)世紀(jì)。
《7.結(jié)論》
7.結(jié)論
一個(gè)范圍廣泛的行波堆開發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)取得良好進(jìn)展。利用以前的大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)以及21世紀(jì)的設(shè)計(jì)工具和技術(shù)，深化設(shè)計(jì)活動(dòng)也已經(jīng)開展起來。必須的開發(fā)活動(dòng)正在通過很詳細(xì)和正式的TRA來實(shí)現(xiàn)管理。在關(guān)鍵的材料和燃料開發(fā)與組件領(lǐng)域，一系列試驗(yàn)和論證已經(jīng)得到成功實(shí)施。
這類新型反應(yīng)堆取得許可的途徑已經(jīng)有了規(guī)劃，正在討論中。這些考慮又反過來幫助形成要求的開發(fā)項(xiàng)目。
至今良好的技術(shù)進(jìn)展以及經(jīng)濟(jì)和技術(shù)敏感度研究證實(shí)了行波堆的巨大潛力。
《致謝》
致謝
筆者感謝所有為本文提供技術(shù)支持和編輯幫助的同事們。 這些同事有Mark Werner, Bao Truong, Nick Touran, Pat Schweiger, Phil Schloss, Chris Regan, Mark Reed, Larry Raklios, Sam Miller, Lee McIntire, Graham Malmgren, Chris Levesque, Ryan Latta, Jeff Latkowski, Brian Johnson, Bruce Hilton, Pavel Hejzlar, Stephanie Hayes, Micah Hackett, Craighton Goeppele, Jesse Cheatham, Carole Boelitz, Marcia Burkey和Doug Adkisson等。
《Compliance with ethics guidelines》
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