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　　遙遠的行波堆

　　1958年，美國麻省理工學院的范伯格在國際和平利用原子能會議上提出了“增殖-燃燒反應堆”的概念，主要物理過程為可轉換材料(如238U)在反應堆內的“原位”增殖和焚燒，將整個閉式燃料循環在同一個堆內實現，簡化核燃料循環，提高一次通過模式的鈾資源利用率。

　　由于該增殖焚燒過程通常有增殖行波和焚燒行波的物理圖像，被廣泛稱為“行波堆”。其具體實現方式又可以進一步分為行波堆和駐波堆兩種。如果行波堆能夠研制成功并投入使用，它們提供的能量夠地球上的每個人按照美國的人均能耗用上1000年。對此，范伯格表示：如果這個方案可行，今后我們只需要“每個行星有一個濃縮廠”，即只需要濃縮鈾來點燃行波堆，用現有的乏燃料和天然鈾就可以提供全世界所有人使用千年的能源。

　　可是，在當時的技術條件下，行波堆就像核聚變一樣遙不可及，只能是一個純理論研究。行波堆的燃耗要達到30%以上，燃料包殼輻照要達到500dpa(材料輻照性能)以上，而在當時的實驗室條件下，材料輻照性能也達不到一年百個dpa。相對而言，當時的水堆技術，技術可行性更高，更具備工業應用條件，世界核電便以此種技術大規模發展起來。行波堆就這樣被遺忘在工業應用的門檻之外。

　　隨著世界核電的發展，一些問題日益凸顯：核燃料的來源問題，乏燃料后處理的問題，以及核擴散的風險等。

　　乏燃料中包含有大量的放射性元素，具有放射性，如果不加以妥善處理，會嚴重影響環境與接觸它們的人的健康。目前國際上對乏燃料的處置辦法有兩種：一次通過和進行乏燃料后處理。

　　進行乏燃料后處理，也有兩種方式：一種是乏燃料出堆后，通過后處理分離出鈾、钚，鈾、钚可以另作他用。分離出鈾、钚后的乏燃料經過幾萬年的存放后，放射性毒性可以減低到等效天然鈾水平。另一種是，除分離出鈾、钚以外，進一步分離出次量錒系核素，這就是先進燃料循環方式。次量錒系核素里有部分核素的放射性半衰期非常長，是乏燃料中除钚之外最主要的長期放射性毒性來源。把所有錒系元素分離出來后，剩余的乏燃料只需要儲存幾百年就可以降低到等效天然鈾的水平。雖然很多國家的后處理技術已經發展得比較成熟，甚至達到了工業規模，但到目前為止，主要仍是針對壓水堆乏燃料后處理，沒有一條線是能夠用于快堆及閉式燃料循環工業應用的，國家級的完整閉式燃料循環體系并沒有真正建設起來。同時，能夠分離出钚的后處理技術是敏感技術，后處理技術在降低了乏燃料的毒性的同時，也帶來了核擴散的隱憂。

　　以美國為代表的國家對現有的后處理技術并不滿意，他們認為，現有的后處理技術要耗費巨大的人力、物力、財力，且需要特別長的周期，在工業應用上并沒有很大的前途，還不如等到技術進步得足夠快，找到更適合于工業應用的辦法后再處置。他們主要采用“一次通過”的方式，即核燃料焚燒后，從堆內卸出，深埋儲存，以待日后后處理技術更加先進時再進行處理。

　　在核電發展的困境中，美國泰拉能源公司將目光投向了看起來遙不可及的行波堆技術，積極開展相關研究。

　　夢想照進現實

　　作為這個世界上最富有的人之一，比爾˙蓋茨曾經表示，他有三個理想：一是每個人有一臺電腦，都用上windows系統;二是消滅艾滋病、結核病和瘧疾，每個人有平等的醫療機會;三是讓窮人都能夠用上清潔經濟的電。為了實現他的理想，比爾 ˙蓋茨做出了不懈努力。2006年，在評估了所有已在理論上被研究和討論過的核反應堆類型后，比爾˙蓋茨選擇了行波堆，并創立了泰拉能源公司來發展這項技術。

　　行波堆可以以現有的貧鈾、乏燃料回收鈾或者天然鈾為燃料，這就解決了燃料來源問題、減輕了乏燃料的存儲問題;同時，在理想狀況下，行波堆10年才需要加一次轉換增殖燃料，不需要開展后處理，杜絕了核擴散的風險。如果行波堆能夠變成現實，不但阻礙核能發展的核心問題化為烏有，困擾人類多年的能源問題亦能同時得到解決。

　　2006年，泰拉能源首席執行官、美國應用物理學家季約翰表示：我們認為行波堆這個概念很有潛力，但不是很快能夠實現的。泰拉能源的任務是開展嚴謹的技術和工程開發，把行波堆的概念完善到一定程度，然后由大型核能企業繼續做商業開發。

　　作為一個概念，是否能夠成功建造第一個反應堆是決定行波堆未來發展的關鍵一步。2010年，比爾˙蓋茨接受麻省理工《科技創業》雜志采訪時表示，泰拉能源公司不計劃自己籌錢建造行波堆，“會與一些國家和大型公司合作來建造”。

　　比爾˙蓋茨認為，在亞洲建造行波堆的可能性要比北美或者歐洲地區更高。在世界核能新建電站中，中國占據了40%的領先地位，他“相信中國的核電項目將成為其他國家負責任地發展核電的一個榜樣”。2009年底，比爾˙蓋茨開始了中國的行波堆推介之旅。

　　2009年11月，比爾˙蓋茨參觀中核集團原子能院的實驗快堆并發表主題演講，他提到，如果行波堆的夢想能夠實現的話，美國現有的貧鈾材料可以供一百座一百萬千瓦的行波堆運行100年。

　　對核能發展來說，這是一個激動人心的數據。根據我國核電發展規劃，到2020年，我國在運裝機將達到5800萬千瓦，屆時對我國鈾資源戰略儲備和乏燃料安全管理都將面臨很大挑戰。如果我國核能發展積累的貧鈾和乏燃料能夠作為行波堆的燃料，那我國核能大規?？沙掷m發展將不再是夢想。

　　將一個概念變成現實是一個漫長的過程，要經過無數的探討、論證、修改。泰拉能源的行波堆研究自2006年起，隨著研究的深入開展，技術方案不斷更新，行波堆經歷了從理想行波堆概念到商業行波堆型號的發展。

　　“行波堆(TWR)是泰拉能源公司對原位增殖焚燒快堆的稱呼，現在開發的實際是駐波堆方案，這是行波堆概念結合工業技術可實現性的一個拓展?？紤]到技術的延續性，泰拉公司當前的技術路線首先從金屬燃料常規快堆方案出發，首先建成可進行測試實驗的原型行波堆(TWR-P)。通過在原型行波堆進行充分的試驗和材料的輻照測試，逐步進行技術積累，最終實現商業駐波堆(TWR-C)的型號研發并推廣。但是，由于目前行波堆的部分關鍵系統與設備的成熟度較低，仍存在一系列嚴峻的技術挑戰，尤其是商業行波堆燃料材料的技術開發與測試驗證存在較大技術風險?！痹幽茉盒胁ǘ阎忻篮献黜椖考夹g負責人喻宏介紹。

　　在泰拉能源的計劃表上，2015年-2025年為原型堆的設計、研發和建造階段，在完成原型堆的設計后，在其建造、調試和早期運行期間，將完成商用行波堆的詳細設計和策劃。

　　為了提高行波堆的現實可行性，泰拉能源將行波的概念與鈉冷快堆相結合，提出了點火區與增殖區組件倒料的策略，在充分利用已經相對比較成熟的快堆技術的基礎上，通過在布料和倒料策略上的優化，以實現行波并提高燃料利用率。目前泰拉能源和中核集團準備合作研發的600MW的原型堆TWR-P，實質上是一種有倒料操作的金屬燃料鈉冷快堆。

　　在推進TWR-P原型堆的過程中，中核集團原子能院發揮了重要作用。行波堆，與傳統鈉冷快堆有很多共性技術，很多系統、設備，包括用鈉，都是相通的，不同的在于堆芯和燃料。作為中方的行波堆總體技術負責單位，原子能院是中美行波堆聯合技術評估和獨立技術評估的主要承擔者和主要的技術評估發言人。在和美國行波堆團隊不斷溝通和交流的過程中，原子能院技術人員提出了很多建設性意見。

　　行波堆與普通鈉冷快堆最大的差別在于核燃料在堆內需要經歷數十年的輻照，因此其核燃料在堆內的服役性能研究就顯得尤其重要。在2015年4月舉行的行波堆聯合技術評估專家審查會上，泰拉能源透露，他們已經通過美國愛德華國家實驗室、法國阿?，敗⒚绹f里迪安公司完成了行波堆燃料測試組件的設計、加工、燃料棒束的流量試驗，在俄羅斯BOR60正在進行材料輻照測試。

　　今年8月31日，中核集團組織了行波堆獨立技術評估報告專家評審會，會議邀請潘自強、葉奇蓁、阮可強、徐銤等院士在內的20余名專家，原子能院、核動力院、核電工程公司等單位的20余名專業人員參加。專家們認為：行波堆技術是提高鈾資源利用率實現核能可持續發展的可選堆型，美方提出的原型堆—商業堆的技術路線是合理可行的。

　　攜手打造行波堆

　　在中美正式合作以前，雙方已經各自開展了很多工作，并進行了多次會談。

　　自2010年開始，原子能院對行波堆開展了大量研究工作。

　　機會只會給有準備的人，由于中核集團在快堆技術方面無可爭議的優勢，泰拉能源遞出了橄欖枝。

　　2013年年底，中美兩國政府簽署關于行波堆合作的執行計劃;2014年，在中美合作協議中，兩國授權中核集團和泰拉能源就行波堆開展合作。這兩個協議的簽署，標志著中美關于行波堆技術的合作正式開展。

　　不同于引進項目，中美擬在行波堆領域開展的合作，是中美兩大國在高科技領域的聯合開發工作，計劃由中美雙方共同出資金、出技術、出人才，完成從科研到工程階段的技術研發和設計，共享知識產權。在此基礎上，完成原型堆項目的工程建設，和未來面向全球的商業化推廣。

　　在2015年8月底，中核集團組織的行波堆獨立技術評估報告專家評審會上，與會專家認為：與美方開展行波堆合作符合中國及中核集團的核能發展戰略方向，與目前中國開展的快堆技術路線可以相輔相成、相互促進，有利于促進核能產業技術升級和可持續發展。

　　專家們指出了金屬燃料快堆燃料的先進形式和發展方向。通過國際合作開展金屬燃料快堆研發、關鍵設備研制和原型堆項目建設有助于加快以傳統快堆為主的第二步核能戰略的實現，縮短戰略進程。

　　除此之外，由于行波堆的防核擴散性，與其他先進核能系統相比，行波堆是中核集團和泰拉能源一起打造的、最有可能向第三世界國家推廣的核電項目，具有重要的商業價值。

　　如今，泰拉能源公司目前已完成原型行波堆堆芯的部分概念設計，正在計劃進入工程設計階段，有望在2023年前成功建造行波反應堆的原型堆。