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       行波堆（TWR）是一種通過嬗變過程把可增殖核材料轉變為可裂變核燃料的新型反應堆。與其它類型的快中子及增殖反應堆不同，它不需要或者僅僅需要少量的濃縮鈾，就可以燃燒貧化鈾、天然鈾、輕水反應堆卸出的乏燃料或者是前面這幾種材料的混合物。

       到目前為止，作為核電反應堆的主要燃料，天然鈾中只有約0.7%的同位素能被直接利用，但是，利用行波堆技術，鈾資源的30%-40%，甚至 60%-70%可以物盡其用。也就是說，和其它核電反應堆不同的是，行波堆技術可以直接利用現在被廢棄的鈾同位素，甚至是只經過簡單轉化的核電廠廢棄燃 料，對其深度焚燒而產生巨大能量，將沉重的廢物負擔轉換為高額經濟效益。

       1. 行波堆的發展歷史

       行波堆的想法可追溯到20世紀，1958年Saveli Feinberg首次提出了反應堆堆芯自增殖的概念，并稱之為“breed and burn”反應堆。Michael Driscoll 對這一概念進行了更深入的研究，并在1979年發表了相關的論文。此后，1988年Lev Feoktistov，1995年EdwardTeller和Lowell Wood，2000年Hugo van Dam 以及2001年HiroshiSekimoto也先后發表了相關的研究論文。

       迄今為止，全球還沒有建造真正的TWR。但是2006年，Intellectual Ventures成立了一家名字叫做TerraPowerLLC的子公司，對這種行波堆的概念進行工程化設計和經濟性評價。

       TerraPower設計了低功率到中等功率（30萬千瓦）到大功率（約100萬千瓦）的幾種不同的級別的反應堆，開發出了一個實用的設計。

       IntellectualVentures公司已獲得了該技術的專利，現在正和一家反應堆制造商討論專利許可事宜。盡管仍有一些基本的設計問題需要加以解 決，如反應堆如何在事故條件下運行的精確模型等，但有關方面認為，一個商業化反應堆可在2020年初開始運行。IntellectualVentures 公司認為，在核工業全面復興和核燃料供應緊張的情形下，行波堆設計沿著這條路走下去一定會吸引更多人的目光。

       2. 行波堆的特點

       （1）節約核燃料

       TWR可以在建造時就裝上足夠量的貧化鈾，這些貧化鈾足夠反應堆滿負荷運行60年，甚至更多。由于TWR的高燃耗、高熱效率和高燃料密度，對于每單位的電能，它所消耗的鈾要遠遠小于輕水反應堆。這些特性在提高燃料增殖能力的同時，還大大地降低了燃料和核廢料的體積。

       作為原料，貧化鈾供應量充足。目前，美國大約有70萬噸的貧化鈾庫存，這些貧化鈾都是鈾濃縮工業過程的副產品。據估算，如果采用TWR技術，它們可產生 100萬億千瓦時的電力供應本國使用。TerraPower公司的科學家還估計，如果廣泛應用TWR，全球的貧化鈾庫存能夠供全世界80%的人口以美國人 均能耗的水平維持100萬年。從原理上來說，TWR能夠燃燒來自輕水堆的乏燃料，這是可能的，因為輕水反應堆的乏燃料的成分里大多數也是貧化鈾。再者，在 TWR的快中子能譜中，裂變產物的中子俘獲截面比其在輕水堆的熱中子能譜中低幾個數量級。當然，要實現真正的應用，還需要在技術上的進一步研究。TWR同 樣能夠重新使用它們自己的燃料。在TWR中用過的燃料仍然有較高含量的可裂變物質。這些物質不需要分離，直接重新成型封裝，即可用作啟動其它TWR的燃 料，這樣也就不再需要濃縮鈾工藝了。

       行波堆通過對抑制堆芯燃料的分布和運行，核燃料可以從一端負級啟動點燃，裂變產生的多余中子將周圍不能裂變的U-238轉化成Np-239，當達到一定濃 度之后，產生裂變鏈式反應，同時開始焚燒就地生成的燃料，形成行波。行波以增殖波先行、焚燒波后續，一次性裝量可以連續運行數十年甚至上百年。為維持運 行，堆芯燃料部分保持常規的大小質量，按正常方式通過核能，將熱量帶出堆芯，產生蒸汽，其余部分為燃盡或待增殖的燃料。除最初的啟動源需要濃縮鈾，其它所 有燃料都可以來自天然的材料或輕水堆的乏燃料，因此不需要分離濃縮。在實際工程化過程中，行波堆可以選擇使用定期移動燃料、增殖焚燒波的空間固定處理方 式。

       （2）防止核擴散

       對反應堆的核燃料進行濃縮及定期打開反應堆補充核燃料，是核電廠運行中最繁瑣和昂貴的步驟。用過后的核燃料從反應堆中取出后，必須對之進行再處理以回收可用材料。

       當行波反應堆運行時，其堆芯逐漸將在熱堆中不參與裂變的材料轉變成它所需要的核燃料。Intellectual Ventures公司的核計劃部經理約翰·基勒蘭德稱，基于如此設計的核電反應堆在理論上可以運行兩百年，而不用再次加注核燃料。

       基勒蘭德的目標是利用目前的核廢料來運行反應堆。常規熱中子反應堆使用鈾-235，很容易裂變并產生連鎖反應，但鈾-235既稀缺又昂貴，必須在特殊的濃 縮工廠從更為常見的非裂變材料鈾-238中分離出來。每隔18個月至24個月，就必須打開反應堆，，每次從中取出數十個乏燃料組件，用新核燃料組件予以替 換，以供應所需的裂變鈾。這就衍生出了核擴散問題。

       但是，行波反應堆只需薄薄的一層鈾-235，其堆芯中大部分為鈾-238。麻省理工學院核燃料循環項目執行主任查爾斯·福斯伯格說，該設計提供了核燃料循環的最簡單的可能，這樣全球只需一個鈾濃縮工廠就夠了。

       該反應堆的訣竅在于自身就能將鈾-238變成一種可用核燃料钚-239。常規反應堆也能產生钚-239，但是必須取出用后的乏核燃料，將之切斷并用化學方 法提取钚，這是一個昂貴的過程，也是制造原子彈的一個主要步驟。行波堆產生出钚，并立即加以使用，從而消除了被專用于生產核武器的可能性。一個不到1米的 活性區域沿著堆芯運動，就能給前方不斷地提供新的钚核燃料。

       通過使用行波堆，可以極大地簡化、減少燃料循環中的許多步驟，可以逐步降低復雜的產能，以及復雜昂貴的核燃料體系。所以行波堆的路線，不僅可以提前實現核能大規模可持續發展，同時還極大降低了核擴散的風險。因為，像鈾的濃縮和燃料的后續，是核擴散風險最大的環節。

       總結起來，行波堆的技術可以概括為核燃料一次性增殖焚燒，是一個理想狀態的先進的事物，具有可持續、防擴散、安全性和高經濟性。行波堆可將鈾資源利用提高近百倍，廢物量減少數十倍，把使用百年的資源提升為數千年。