行波堆和新型核能能源

美国核管理委员会2010年2月17日公布的Hyperion 核电公司的25兆瓦核电站示意图(它的堆芯可以工作7到10年)

前几天看到一则新闻,说在两个星期后就要举行的中期选举选战当中,共和党人祭出了一件新武器,声称奥巴马倡导的绿色能源说是为美国人带来就业,实际上是在为中国创造就业机会。这让我想起了年前11月比尔•盖茨访问中国,向中国国家能源局推介新型核能行波堆技术,并就双方合作进行讨论。这里实际上包含两方面的问题,一个是美国对涉及大规模的人身和社会安全议题的谨慎态度,另一个就是行波堆技术本身和其他先进能源对于人类未来的重大意义。今天我避重就轻,只谈谈什么是行波堆,以及行波堆和其他新型核能能源的应用前景。

核电行波堆的名字借用了无线电技术的行波管,但是物理本质截然不同。行波管是利用电子枪发射的电子注在聚焦系统中给同向传输的微波传递能量,从而放大微波信号。而核电行波堆则是利用起始端少量高浓度铀235裂变产生的快中子轰击贫铀(几乎完全是铀238)生成钚239。钚239俘获中子后裂变生成多达300种的各种中等质量原子,并平均产生2.5个中子和2亿电子伏的能量。裂变能被液态金属钠或其他载热介质吸收用来发电,新产生的中子则维持堆芯里的核反应不断向前行进,直到将整个堆芯“烧”尽为止。行波堆因此得名。

美国核管理委员会公布的东芝公司4S/10兆瓦核电厂意向书示意图(2010年3月23日提交)

前三代核电站反应堆都是使用富集铀(铀235)、后处理复用富集铀或钚铀作为燃料。其间的发展和进步主要着眼点在于提高安全性、减少核废料和提高经济效率。但是它们都有一些难以克服的缺点,例如每隔18到24个月都要更换堆芯核燃料棒,核废料的冷却特别是长达数百万年的放射性威胁成为核废料储存的难题,如果采用二次分离,则技术复杂成本高昂,而且有严重的核扩散风险。

新千年开始,伴随着第三代反应堆开始投入运行,更加安全、大幅减少核废料产物、降低核扩散威胁、更高热电效率的第四代反应堆已经提上日程。美国的布什和奥巴马政府都很重视新型核能在能源政策中的地位,今年年初奥巴马总统在国情咨文中说要建设新一代的安全、清洁核电厂。美国国会批准了一项80亿美元的核电开发基金,今年二月联邦政府首次提供贷款担保建设自1979年三哩岛事故以来第一座新核电厂(见《美国参考》今年八月份的文章“美国核电发展得到推动”)。

自从2000年美国能源部专家会议以来,美国核管理委员会已经在对多种新型核能方案进行审核,其中包括NuScale核电公司轻水堆,南非PBMR公司的氦冷高温堆,B&W公司的小型集成化压水堆,PRISM公司的钠冷快堆,Hyperion公司的铅铋冷却快堆,和日本东芝公司的4S(超级安全、小型而简单)钠冷快堆等。

美国核管理委员会公布的东芝公司4S/10兆瓦核电厂反应堆剖面图(它的堆芯可以工作30年)

这些新型核反应堆有不少和行波堆一样,采用乏燃料+快中子+钚裂变方案,但是仍然存在核废料分离或存储问题。例如法国和中国正在试验和运行的第四代钠冷快堆,还是需要定期更换堆芯并对其进行分离,以便重复使用新产生的钚燃料。分离的技术和成本,以及随之而来的核扩散风险使得这些方案不尽人意。

相比之下,行波堆比较好地回答了这些问题。如果它能够克服技术上的一些关键难题,比如行波堆堆芯可以连续工作40年,甚至高达100年,如何保证结构材料例如快中子反射层、特别是钠或其他液态金属循环冷却系统在恶劣条件下长期稳定工作等,将带来能源技术的一次革命。行波堆还是核电小型化分散化的一个很好的选项,它可以以低成本的模块化方式制造,在距离用户很近的地方设厂,从而避免大型电厂最高可达10%的电力传输损耗,而且当人口增长的时候,可以很方便地就地增设新的反应堆和发电机组。

据国际原子能机构估计,目前全世界的铀产量只能满足核电站的燃料需求的不到2/3,其余要靠乏燃料循环利用、库存和核武器转化。以这种方式全球铀资源也只够使用250年左右。但是核电站的废弃核材料单单在美国就有77万5千吨,如果采用行波堆技术,将全世界现存的核废料全部“烧”尽,可以满足地球上100亿人10万年的能源需求。

新型核能技术在二氧化碳排放、辐射污染等方面都远远好过传统的燃煤电力能源。正因为如此,著名的反核团体“绿色和平”组织奠基人之一帕特里克•摩尔现在转而支持开发新型核能,他认为这是人类在解决环境污染的同时保证能源供应的“唯一大规模的有效”办法。

著名的微软创始人比尔•盖茨看中了这个在1950年代就由物理学家萨瓦里•范伯格(Saveli Feinberg,)提出的核裂变动力方案。他出资创建了泰德能源公司(TerraPower),先行投资5千万美元,获得了行波堆技术的核心专利,目前正在与行波堆概念最为接近的4S反应堆厂家日本东芝公司洽商合作。据报道,中国国家能源局在去年盖茨访问之后,正在筹备建立行波堆办公室,协调各方面资源研发行波堆技术。