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泰拉能源公司的行波反應(yīng)堆正是21世紀(jì)我們所需要的能源。
乒乓球注定不能打出2馬赫的速度。如果乒乓球的速度為音速的2倍，它會(huì)直接在球拍上穿出一個(gè)洞。泰拉能源（TerraPower）公司是一家設(shè)計(jì)先進(jìn)核能反應(yīng)堆的初創(chuàng)公司，公司的工程師用加壓空氣炮向參觀者們演示了這一現(xiàn)象。演示生動(dòng)地解釋了核裂變的一個(gè)關(guān)鍵概念：高速飛行的小物體撞擊看似不可撼動(dòng)的大物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力。
或許這還包含一個(gè)更重要的觀點(diǎn)，即迅猛發(fā)展的小型初創(chuàng)公司會(huì)對(duì)多年來(lái)看似不可撼動(dòng)的電力行業(yè)產(chǎn)生巨大沖擊。在這個(gè)被氣候變化定義的世界，許多專(zhuān)家都希望未來(lái)的電網(wǎng)完全由太陽(yáng)能、風(fēng)能和水力發(fā)電供電。然而很少有人認(rèn)為，在未來(lái)幾十年內(nèi)清潔能源電網(wǎng)會(huì)很快出現(xiàn)，從而大幅減少溫室氣體排放。太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電的增長(zhǎng)速度比其他任何能源都要快；盡管如此， 21世紀(jì)可再生能源政策網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)顯示，2015年，這些能源在全球一次能源消費(fèi)中所占的比例總計(jì)也不到2%。
為實(shí)現(xiàn)未來(lái)的清潔綠色電網(wǎng)，許多專(zhuān)家表示必須依靠核裂變發(fā)電。在眾多的無(wú)碳能源中，只有核裂變反應(yīng)堆能夠不受天氣影響和地點(diǎn)限制，持續(xù)可靠地提供高質(zhì)量電力。
然而自20世紀(jì)中葉第一批核電站運(yùn)行以來(lái)，商業(yè)核反應(yīng)堆幾乎沒(méi)有任何進(jìn)展。現(xiàn)在世界上447座可運(yùn)行反應(yīng)堆中，有相當(dāng)一部分已經(jīng)暴露出了它們的老化問(wèn)題和缺陷，并且繼日本福島第一核電站災(zāi)難發(fā)生7年之后，核能利用陷入了岌岌可危的境地。從2005到2015年，核能在全球能源消耗中的所占份額從5.73%降至4.44%。美國(guó)南卡羅來(lái)納州的兩個(gè)大型反應(yīng)堆項(xiàng)目被廢棄，而英國(guó)欣克利角核電站的建造成本則不斷攀升，目前預(yù)計(jì)成本高達(dá)20.3億英磅（27.4億美元），這些都使核能利用雪上加霜。
但有一些國(guó)家對(duì)核能表現(xiàn)出了某種熱情：中國(guó)擁有38座核反應(yīng)堆，共計(jì)33千兆瓦的核電裝機(jī)容量，并且計(jì)劃到2024年再增加58千兆瓦。目前，全球約有50座核反應(yīng)堆正在建設(shè)中，這些反應(yīng)堆加上計(jì)劃建設(shè)的另外110個(gè)，將為全球電網(wǎng)貢獻(xiàn)約160千兆瓦的核電裝機(jī)容量，并每年減少約5億噸的二氧化碳排放。如果要在交通運(yùn)輸行業(yè)減少同等程度的溫室氣體排放，可能要廢棄1億多輛汽車(chē)，這約等于法國(guó)、德國(guó)和英國(guó)所有的乘用車(chē)。
在此背景下，幾家美國(guó)初創(chuàng)公司正在推動(dòng)新的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，據(jù)說(shuō)可以彌補(bǔ)核能的主要缺陷。馬薩諸塞州劍橋市一家名為“核能轉(zhuǎn)換”（Transatomic Power）的初創(chuàng)公司正在開(kāi)發(fā)一種在液態(tài)氟化鈾-氟化鋰混合物中運(yùn)行的反應(yīng)堆。丹佛市的四代能源公司（Gen4 Energy）正在設(shè)計(jì)一種能夠迅速在偏遠(yuǎn)地區(qū)部署的小型模塊化反應(yīng)堆。
在眾多核能初創(chuàng)公司中，總部位于華盛頓州貝爾維尤的泰拉能源公司尤為引人注目，因?yàn)樗?cái)力雄厚，并與核能需求旺盛的中國(guó)關(guān)系密切。比爾·蓋茨作為該公司的投資人之一，出任該公司的董事長(zhǎng)。為了證明設(shè)計(jì)的可行性，泰拉能源公司將在明年與中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司合作新建一座試驗(yàn)反應(yīng)堆。
為降低對(duì)煤炭的依賴(lài)，中國(guó)正努力爭(zhēng)取到2020年使可再生能源和核能的產(chǎn)能增加超過(guò)250千兆瓦。泰拉能源公司的總裁克里斯·萊韋斯克（Chris Levesque）認(rèn)為這是建造安全、高效的核反應(yīng)堆的一個(gè)機(jī)會(huì)。他表示反應(yīng)堆的燃料不易用于制造武器，并且該公司聲稱(chēng)其反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢物極少。更重要的是，泰拉能源公司宣稱(chēng)即使反應(yīng)堆無(wú)人看管，也不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的事故。在萊韋斯克看來(lái)，它是解決世界能源危機(jī)的完美反應(yīng)堆，他說(shuō)：“如果沒(méi)有核能的話(huà)，我們無(wú)法切實(shí)減少碳排放，幫助10億人擺脫能源貧困?！?/span>
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泰拉能源反應(yīng)堆是基于約60年前的設(shè)想演化而來(lái)的新變體，當(dāng)時(shí)由一位現(xiàn)已被人遺忘的俄羅斯物理學(xué)家薩瓦里·范伯格（Saveli Feinberg）設(shè)計(jì)。第二次世界大戰(zhàn)之后，隨著美國(guó)和蘇聯(lián)陷入核軍備競(jìng)賽，一些思想家猜測(cè)原子能能否用于戰(zhàn)爭(zhēng)武器之外的其他領(lǐng)域。1958年，在日內(nèi)瓦舉行的第二次和平利用原子能?chē)?guó)際會(huì)議上，范伯格提議可以建造一座能自行制造燃料的反應(yīng)堆。
范伯格設(shè)想了我們現(xiàn)在的“增殖燃燒反應(yīng)堆”。早期的提案中的描述是通過(guò)燃料源來(lái)緩慢推進(jìn)核裂變波，就像一根能燃燒幾十年的雪茄那樣，隨著反應(yīng)沿著堆芯發(fā)生，它會(huì)同時(shí)消耗和產(chǎn)生燃料。但在原子能的鼎盛時(shí)期，范伯格的設(shè)計(jì)是沒(méi)有任何競(jìng)爭(zhēng)力的。盡管鈾資源儲(chǔ)量豐富，反應(yīng)堆造價(jià)便宜、易于建造，但處理放射性廢物的艱巨任務(wù)仍需要幾十年的時(shí)間來(lái)完成。
增殖燃燒的概念一直不被重視，直到20世紀(jì)90年代，“氫彈之父”愛(ài)德華·泰勒（Edward Teller）和天體物理學(xué)家洛厄爾·伍德（Lowell Wood）才又使其重新流行起來(lái)。2006年，伍德?lián)胃咧枪镜念檰?wèn)，這家知識(shí)產(chǎn)權(quán)投資公司是泰拉能源的母公司。當(dāng)時(shí)，高智公司正在探索一切能減少碳排放的潛在解決方案，如裂變、聚變、可再生能源。伍德提出了行波反應(yīng)堆（TWR），即增殖燃燒反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的一個(gè)子類(lèi)型。泰拉能源公司的首席技術(shù)官約翰·吉爾蘭德（John Gilleland）說(shuō)：“我原本期望用幾個(gè)月時(shí)間發(fā)現(xiàn)它的問(wèn)題，然后把重點(diǎn)放在可再生能源上，但是我并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題?！?/span>
這并不是說(shuō)伍德和泰勒設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆是完美的。“他們?cè)?0年代提出的這個(gè)設(shè)計(jì)很巧妙，但并不實(shí)用?！奔獱柼m德說(shuō)。但它給了泰拉能源公司的工程師們一個(gè)起點(diǎn)和希望，如果他們能讓反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)實(shí)際運(yùn)行起來(lái)，也許就能解決當(dāng)今裂變存在的所有問(wèn)題。
也有人對(duì)此并不那么樂(lè)觀。美國(guó)能源與環(huán)境研究所所長(zhǎng)阿爾瓊·梅基耶尼（Arjun Makhijani）認(rèn)為：“行波反應(yīng)堆存在多層次的問(wèn)題，也許會(huì)出現(xiàn)神奇的新技術(shù)能解決它們，但希望我們不用依賴(lài)魔法。”梅基耶尼表示，即使解決了堆芯內(nèi)部制造燃料的難題，維持核反應(yīng)的穩(wěn)定也非常困難，并且他指出泰拉能源將采用的堆芯冷卻技術(shù)基本上都有失敗的先例。
以伍德和吉爾蘭德為首的泰拉能源團(tuán)隊(duì)首先利用計(jì)算機(jī)建模來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。2009年，他們開(kāi)始建造高級(jí)反應(yīng)堆建模接口系統(tǒng)（ARMI），一種用于深層次模擬個(gè)性化反應(yīng)堆的數(shù)字工具箱。利用高級(jí)反應(yīng)堆建模接口系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)可以定義每個(gè)反應(yīng)堆組件的大小、形狀和材料，然后進(jìn)行廣泛的測(cè)試。最后他們認(rèn)為自己研究出了60年前由范伯格首先提出的增殖燃燒行波反應(yīng)堆的實(shí)用模型。據(jù)萊韋斯克回憶，這個(gè)團(tuán)隊(duì)帶著令人驚訝的消息——“嘿，我們認(rèn)為現(xiàn)在我們可以做行波反應(yīng)堆了”——向他走來(lái)的時(shí)候，他加入了泰拉能源。
行波反應(yīng)堆為何困擾物理學(xué)家數(shù)十年？首先要考慮到當(dāng)今的核反應(yīng)堆依賴(lài)于濃縮鈾，在濃縮鈾中，裂變同位素鈾-235與相應(yīng)的穩(wěn)定同類(lèi)物鈾-238的比例比天然鈾中的要高很多。
當(dāng)一個(gè)穿梭的中子擊中一個(gè)鈾-235原子時(shí)，能夠?qū)⒃臃至殉射^和氪的同位素，并留下3個(gè)中子（就像高速乒乓球穿過(guò)堅(jiān)固的球拍）。當(dāng)足夠多的中子撞擊到足夠多的易裂變鈾原子時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)臨界狀態(tài)，形成自給自足的核反應(yīng)。在當(dāng)今的反應(yīng)堆中，實(shí)現(xiàn)臨界狀態(tài)的唯一途徑就是在燃料中配比大量的鈾-235原子。
相比之下，行波反應(yīng)堆將可以使用貧鈾，貧鈾的鈾-235原子含量極少，無(wú)法在無(wú)輔助的情況下達(dá)到臨界狀態(tài)。而泰拉能源公司的解決方案是將169個(gè)固體鈾燃料細(xì)棒排列成六邊形。當(dāng)反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，鈾-238原子吸收多余的中子轉(zhuǎn)變?yōu)殁?239，在短短幾分鐘內(nèi)它衰變?yōu)轱?239，然后再衰變?yōu)轭?239。钚-239被中子擊中時(shí)，會(huì)釋放出2到3個(gè)中子，這樣的循環(huán)足夠維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
行波反應(yīng)堆還會(huì)釋放大量能量，畢竟钚-239是現(xiàn)代核武器中使用的主要同位素。但萊韋斯克表示，產(chǎn)生的钚-239并不會(huì)使反應(yīng)堆發(fā)生核擴(kuò)散危險(xiǎn)。恰恰相反，钚-239不會(huì)在行波反應(yīng)堆中累積，雜散中子幾乎立即就可將钚-239分裂成一連串裂變產(chǎn)物。
換句話(huà)說(shuō)，該反應(yīng)堆正如幾十年前范伯格所設(shè)想的那樣，在燃料燃燒前會(huì)增殖它所需要的高度裂變钚燃料。而“行波”所指代的反應(yīng)堆與緩慢燃燒的雪茄式反應(yīng)堆略有不同。在行波反應(yīng)堆中，高架起重機(jī)系統(tǒng)就像一個(gè)精確的巨大拱形爪機(jī)，通過(guò)把燃料棒從堆芯的其他地方移入或移出，將反應(yīng)保持在堆芯的環(huán)形區(qū)域內(nèi)。
為了發(fā)電，行波反應(yīng)堆采用比現(xiàn)在的反應(yīng)堆更復(fù)雜的系統(tǒng)，現(xiàn)在的系統(tǒng)利用堆芯的極高熱量來(lái)加熱水并驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。而在行波反應(yīng)堆中，熱量先被液態(tài)鈉循環(huán)流吸收，然后液態(tài)鈉流出反應(yīng)堆堆芯后，再加熱水驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)。
但梅基耶尼說(shuō)，行波反應(yīng)堆還存在一個(gè)重要問(wèn)題。與水相比，熔融鈉可以從堆芯中轉(zhuǎn)移出更多的熱量，而且它對(duì)金屬管道的腐蝕性實(shí)際上也比熱水小。但金屬鈉是一種劇毒金屬，而且遇到氧氣就會(huì)劇烈燃燒。梅基耶尼說(shuō)：“鈉冷卻的問(wèn)題是行波反應(yīng)堆的致命弱點(diǎn)?！?/span>
梅基耶尼列舉了兩個(gè)鈉冷卻反應(yīng)堆存在固有困難的典型案例。法國(guó)的超鳳凰快堆（Superphénix），因?yàn)殁c經(jīng)常泄漏到燃料儲(chǔ)存罐中，致使其在10年的運(yùn)營(yíng)時(shí)間里產(chǎn)能很少超過(guò)7%。更讓人震驚的是，日本的“文殊”號(hào)反應(yīng)堆在達(dá)到臨界狀態(tài)不到1年就關(guān)閉了，因?yàn)橐簯B(tài)鈉循環(huán)的振動(dòng)使管道破裂，鈉離子與空氣中的氧氣接觸，立刻引發(fā)了火災(zāi)。梅基耶尼說(shuō)：“有些反應(yīng)堆運(yùn)行得還不錯(cuò)，有些運(yùn)轉(zhuǎn)得很糟糕，還有一些導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)災(zāi)難。”
現(xiàn)在，泰拉能源實(shí)驗(yàn)室里堆滿(mǎn)了燃料棒和反應(yīng)堆組件。此外，該團(tuán)隊(duì)一直在試驗(yàn)測(cè)試熔融鈉如何在反應(yīng)堆管道中流動(dòng)、對(duì)管道的腐蝕程度，以及經(jīng)過(guò)幾十年高溫所有堆芯組件不可避免的膨脹等所有曾經(jīng)困擾鈉冷卻反應(yīng)堆的問(wèn)題。泰拉能源公司的工程師將會(huì)把他們從測(cè)試中學(xué)習(xí)到的成果應(yīng)用到建造試驗(yàn)反應(yīng)堆中，以此來(lái)檢測(cè)他們的設(shè)計(jì)是否真的有效。
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泰拉能源反應(yīng)堆的安全性在一定程度上源自其內(nèi)在的設(shè)計(jì)要素。當(dāng)然，所有的核電反應(yīng)堆均設(shè)計(jì)有安全系統(tǒng)，每個(gè)安全系統(tǒng)都有一個(gè)應(yīng)對(duì)時(shí)間，即核災(zāi)難發(fā)生前受損反應(yīng)堆在沒(méi)有人員干預(yù)的情況下可以持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們一直在宣傳所謂的“內(nèi)在安全核反應(yīng)堆”的觀念，但泰拉能源公司的目標(biāo)是建立一個(gè)依靠基礎(chǔ)物理學(xué)提供無(wú)限應(yīng)對(duì)時(shí)間的反應(yīng)堆。
行波反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)凸顯了核反應(yīng)堆安全系統(tǒng)的一致標(biāo)準(zhǔn)。在反應(yīng)堆發(fā)生事故時(shí)，由鎘等中子吸收材料精制而成的控制桿會(huì)迅速墜入堆芯，阻止會(huì)導(dǎo)致堆芯熔毀的失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這被稱(chēng)為緊急停堆。
緊急停堆可以在極短的時(shí)間內(nèi)將反應(yīng)堆裂變速率降低到幾乎為零，不過(guò)殘余的熱量仍然可能導(dǎo)致災(zāi)難。在切爾諾貝利，一些燃料棒在緊急停堆時(shí)斷裂，致使反應(yīng)堆繼續(xù)熔毀。在福島第一核電站，冷卻系統(tǒng)受損，導(dǎo)致熱量無(wú)法從堆芯迅速轉(zhuǎn)移出去。這就是泰拉能源團(tuán)隊(duì)為什么想要打造一個(gè)即使安全系統(tǒng)失靈也可自然停堆的反應(yīng)堆。
泰拉能源的反應(yīng)堆可以保持冷卻狀態(tài)，是因?yàn)樗募冣櫲剂霞?xì)棒將熱量從堆芯轉(zhuǎn)移出去時(shí)比當(dāng)今典型反應(yīng)堆使用的燃料棒都更加高效。如果這還不足以防止熔毀，那么該公司還有一個(gè)王牌。正如吉爾蘭德解釋的那樣，燃料細(xì)棒變得過(guò)熱時(shí)會(huì)膨脹，剛好讓中子從燃料細(xì)棒滑過(guò)，而不會(huì)撞擊更多的钚-239，從而減緩反應(yīng)，自動(dòng)冷卻堆芯。
泰拉能源團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)，由于行波反應(yīng)堆燃燒燃料更高效，它產(chǎn)生的廢物也更少。該公司表示，一座1200千兆瓦的反應(yīng)堆，每千兆瓦年只產(chǎn)生500萬(wàn)噸的廢物，而當(dāng)今的反應(yīng)堆每千兆瓦年會(huì)產(chǎn)生2100萬(wàn)噸的廢物。如果這個(gè)數(shù)字準(zhǔn)確的話(huà)，那么該反應(yīng)堆就可以通過(guò)大幅減少產(chǎn)生的廢物量來(lái)解決目前的儲(chǔ)存問(wèn)題，這些廢物經(jīng)過(guò)數(shù)千年仍然具有很高的放射性。進(jìn)入核時(shí)代60多年來(lái)，只有芬蘭和瑞典在建立深度永久儲(chǔ)存庫(kù)方面取得了重大進(jìn)展，但也要等到本世紀(jì)20年代才能建好。
泰拉能源公司計(jì)劃明年在中國(guó)破土動(dòng)工建立試驗(yàn)反應(yīng)堆。如果一切順利，這座反應(yīng)堆將在本世紀(jì)20年代中期投入使用。但是即使泰拉能源的反應(yīng)堆取得了巨大的成功，公司也需要20年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)部署大量的行波反應(yīng)堆。因此，在接下來(lái)的幾十年里，全球公用事業(yè)領(lǐng)域?qū)e無(wú)選擇，只能依靠化石燃料和常規(guī)核反應(yīng)堆來(lái)獲得可靠的全天候電力。
裂變可能不是最終的結(jié)果。再過(guò)幾十年，一般是30年之后，核聚變也許會(huì)最終獲得成功。隨著蓄電和其他技術(shù)使可再生能源變得更加可靠，社會(huì)將能夠更加依賴(lài)可再生能源。但一些分析人士堅(jiān)持認(rèn)為，在未來(lái)幾十年里，核裂變的可靠性和零排放是擔(dān)負(fù)世界電氣化經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)重任的最佳選擇。
加州勞倫斯·利弗摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的前副主任簡(jiǎn)·朗（Jane Long）說(shuō)：“我認(rèn)為不應(yīng)該將幾十年后的解決方案作為永恒不變的方案，如果這一切由我做主，我會(huì)選擇一個(gè)全太陽(yáng)能的長(zhǎng)期計(jì)劃，因?yàn)槲覀儞碛谐渥愕年?yáng)光資源。但就近期而言，對(duì)于像核能這樣影響重大的技術(shù)，我們也不能概不考慮?！?/span>
隨著全球變暖，氣候越來(lái)越多變，關(guān)于核能的爭(zhēng)論將變得更加明朗化。朗說(shuō)：“人們必須意識(shí)到我們有多需要它?！?/span>
作者：Michael Koziol
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