比爾蓋茨2016蟬聯了世界首富的桂冠行波堆行不行

新聞中心2019-12-04 10:39:28
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2016年,60歲的比爾蓋茨以78.6億美元的身價蟬聯了世界首富的桂冠。這么多錢可怎么花?蓋茨自然有大把花錢的地方:一個是Bill Melinda Gates Foundation,也就是以他和他妻子命名的慈善基金會;另一個,就是蓋茨擔任董事會主席的TerraPower公司。

TerraPower是美國一家致力于第四代核電站技術研究和應用的科技公司,他們的主力堆型是TWR(Traveling Waves Reactor),中文多譯作「行波堆」。蓋茨在20幾歲就開始了自己改變世界的旅程,那這一次,他和TerraPower能夠改變世界的能源現狀嗎?核能 - Bill Gates的選擇

2008年,從微軟抽身出來的蓋茨全身心的投入到了慈善基金會的工作上。這個基金會致力于在全球范圍內減少貧困和饑餓,并利用科技手段拯救生命、提供更好的教育。這些工作直接展現了蓋茨對人類困境的思慮和行動。

有了這個情懷做基礎,也就不難理解他為何鐘情于下一代核反應堆的研發與推廣。想必蓋茨也堅信,核能才是解決人類能源和環境危機的最可靠保障。緣起TerraPower

在美國,不僅僅有比爾蓋茨一個人看好核能的未來。一家名叫Intellectual Venture的發明專利獲取公司(后面就簡稱「IV」了)早就致力于TWR的研究。在2008年,TerraPower在獲得了來自蓋茨和其他機構的資金支持之后,終于從IV公司的一個實驗項目轉型成為一家真正的公司。

TerraPower 的公司總部位于美國華盛頓。那里匯集了全美眾多的科學家和工程師,致力于第四代反應堆、主要是TWR(行波堆)的研究和開發工作。如今在TerraPower,除了主要對TWR進行研究及推廣之外,其他第四代堆型諸如熔鹽堆等也在其研究范圍內。

作為TerraPower主攻的技術方向,TWR(Traveling Wave Reactor)在安全性、可靠性和經濟性等重要評價指標上都有諸多過人之處。TWR - 行波堆

雖然TWR是TerraPower公司的技術,但TerraPower只是又一次的「站在了巨人的肩膀上」。他們并非TWR的開創者,而是完善TWR技術、并實現其商業化運營這一目標的實踐者。

 

 

什么是「行波」

其實,我第一次見到Traveling Wave Reactor,或者「行波堆」這個說法的時候,內心是及其崩潰的。因為從字面上我們完全沒辦法了解它到底表達的是個什么意思。(行波堆?和仁波切又有什么聯系嗎?)

如果用白話來解釋行波堆,我覺得應該是這樣的:

所謂「行」,是指燃料棒上功率產生的位置是隨時間而「移動」的,這就像蠟燭的火焰會隨著蠟燭燃燒而越來越低一樣。

所謂「波」,是指能量以“波”的形式散發出來。

綜合起來,「行波」就是指“能量波沿著燃料棒軸向不斷移動”的意思(可參考上圖)。TWR發展史

其實,TWR的雛形可以追溯到大半個世紀前(那時候的人們到底有多熱愛核能啊)。在1958年,一位叫做Savelli M. Feinburg的科學家首次提出了將貧鈾或天然鈾維持在一種自我增殖的條件下,從而維持反應堆運行的快堆理念,這也就形成了TWR的理論基礎。這個理論在20世紀70年代、90年代和21世紀前10年分別經歷了幾次重大的發展,并最終歸入了TerraPower的懷抱。

關于整個TWR技術的極簡發展歷史,可以看看這個時間表:

 

 

反應堆概況

與已有的反應堆相比,TWR最大的不同是可以使用貧鈾(U-238)甚至天然鈾核作為燃料。在反應堆運行期間,燃料一直在自我持續“繁殖-消耗”(breed-burn)這一循環。這一技術也直接支撐了TWR的“一次裝料,直至退役”的設計理念。也就是說,反應堆內的非核燃料可以重新被轉換為可發生裂變反應的核燃料,從而消除了換料的過程,基本消除了對核燃料擴散的擔憂,并具有更好的經濟性。以下是TWR的主要特性:

 

 

除了前面提到的諸多先進性以外,TWR相對于普通輕水堆還有很多其他的優勢:

在燃料的利用率上提高了50倍(目前核電站對核燃料的利用率僅在1%左右),極大的提高了經濟效益。

消除了核廢料處理的需要;極大減少(基本消除)了對濃縮鈾的長期需要。

在電站運行過程中即可將貧鈾轉化成可作為可再次使用的燃料。從鈾的天然儲量來看,實際上鈾會變成用之不竭的自然資源。反應堆重要部件

TWR的堆芯在地表以下、冷卻劑采用池式結構(一回路無管道)、運行壓力為大氣壓。整個反應堆的結構如下圖:

 

 

1. Containment Dome 安全殼

安全殼安裝的是非放射性裝置。在事故工況時,安全殼可以作為一道安全屏障。在未來的電站設計中,安全殼會安裝于核島廠房內,相應的又增加了一層安全屏障。

2. Reactor Vessel/Reactor Guard Vessel 壓力容器和壓力容器保護層

壓力容器及其保護層中安裝的是被液態鈉淹沒的堆芯及其組件。在這種池式的堆芯冷卻結構中沒有管道,從而消除了發生LOCA(Loss of Coolant Accident, 失去冷卻劑事故)的風險。

3. Reactor Core 堆芯

TWR真正的創新就它的堆芯。堆芯的中心是一些濃縮鈾(U-235)燃料棒;它們的周圍,是貧鈾(U-238)燃料棒。U-235在這里被用作點火裝置,啟動行波反應 (Traveling Wave Reaction)。這種緩慢進行的鏈式反應所產生的裂變平行波聚集在堆芯中央,緩慢的消耗著核原料。

4. In-Vessel Fuel Handling Machine 堆內燃料處理機

為了讓裂變反應可以持續,堆內燃料處理機會定期的將堆芯中心的燃料棒與外緣燃料棒進行交換。

5. Control and Safety Rods 控制棒和安全棒

控制棒和安全棒懸吊在堆芯上方。控制棒受機械裝置控制,通過插入或拔出控制棒來調節反應堆功率。安全棒只受重力控制,在事故工況下緊急掉入堆芯,迅速停堆。

6. Primary Sodium Pool 一回路鈉池

一回路鈉池中的液態鈉將堆芯包圍。TWR以自然的物理定律為基礎,并結合了先進的鈉冷卻劑來提升熱交換性能,并維持高安全系數。

7. Intermediate Heat Exchangers 中間級熱交換器

中間級熱交換器安全的實現了主回路鈉池和二回路液態鈉環路之間的熱量交換。二回路負責將熱量傳遞給蒸汽發生器。

8. Direct Reactor Auxiliary Cooling System 反應堆輔助冷卻系統

反應堆輔助冷卻系統在常規冷卻路徑不可用時啟動,負責排出反應堆內衰變產生的余熱。安全特征

順利通過安全評審,是TWR走向商用過程中的要一環。TerraPower在設計過程中廣泛參考了全球各個標準體系中的安全要求,包括NRC, IAEA, IEEE和ASME的法規、標準和導則等等。

作為第四代反應堆,TWR采取了被動安全的特性來緩解事故后果。TWR的安全功能不依賴外部電源。同時,TWR的安全功能還可以在發生一些「超設計基準事故」時保證反應堆的安全。

 

 

TWR的一些關鍵的安全功能:

池式的一回路是一個巨大的熱阱,事故工況時冷卻劑升溫緩慢,很大程度上降低了事故的發展速度。(想想福島)

TWR的金屬燃料元件的能量保持特性比傳統的氧化物燃料低的多,在事故工況時會釋放更少的能量。(又想福島)

運行時不會產生氫氣。(還想福島)

被動安全特性的余熱排出系統依靠自然循環,不依賴電能。(再想福島)

上面只是從3個方面介紹了TWR的整體情況,雖然不是很詳盡,但我已經非常期待TWR的實驗堆、以及商用堆的早日到來了,這簡直是人類獲取能源方式的一次革命。那TerraPower到底有沒有一個時間表呢?又或者,是不是有更加革命性的創新會在未來發生?TerraPower與TWR的未來

TWR完全定型了嗎?并沒有。TerraPower有一個確定的時間表嗎?希望是。其實早在2008年成立伊始,TerraPower就已經為TWR制定時間表了。其中首個重要的時間是要在2020年實現600MW原型堆啟動。

不過,建設核電站是個相當龐大的工程,不可能由一家公司獨立完成,更何況TerraPower只是家從科研實驗項目脫胎出來的科技公司。所以他們聯合了各個國家的公司、實驗室等優質資源,從資本、科研到供應鏈展開了全方位的合作。比如,這根燃料棒是在美國研發、與AREVA聯合生產的:

 

 

而這種代號為HT9、用來制作燃料包殼的新型合金,是TerraPower與美國愛達荷州國家實驗室、密歇根離子流實驗室、日本神戶鋼鐵等多方合作的產物。

 

 

為電站操作員提供培訓的模擬機,也已經做好了(想想蓋茨,也知道他們在計算和計算設備方面必定走在最前沿):

 

 

我盯著這三塊神奇的屏幕看了好幾分鐘,感覺確實配得上四代核電的名號。

雖然TerraPower顯得頗有信心,但個人認為工期這個事情,你真的不能太認真。畢竟核電項目實在是過于龐大,而且設計、建造的要求又及為苛刻。所以哪個倒霉環節出了點問題,導致Deadline不保也是核電建設中的常事兒。所以,TerraPower聯合了全球核電界最靠譜的國家,這不:

 

 

2015年9月,TerraPower和中核集團簽訂了諒解備忘錄,雙方確定在中國合作建造一座行波堆,有望在2023年建成。這會是全球第一座TWR嗎?

我們拭目以待。

TWR相比當代的輕水堆,從經濟性到安全性上都有它固有的優勢。

但反應堆設計是融合了眾多學科的龐大工程,其中的不確定性也是司空見慣。

所以不必問行波堆行不行,就算某天行波改成了駐波您也別大驚小怪。只要全球核電行業保持健康的發展,只要人類的環境和能源危機仍然沒有解決,更先進更安全反應堆的開發工作就一天也不會暫停。后記

這篇文章整整花了我一個多星期的業余時間。從立意、收集資料到實際撰寫文章都異常困難,我不只一次想要嘔吐,想要放棄。

但受著Bill Gate“讓人人都能用上清潔能源”夢想的感召,我也滿懷憧憬的堅持筆耕不輟。