关于行波堆（Traveling Wave Reactor）

必须承认，行波堆的闻名很大程度得益于比尔?盖茨的大力支持和推广，但是其原理并不新鲜。早在1958年，美国麻省理工学院的范伯格在国际和平利用原子能会议上提出了“增殖-燃烧反应堆”这个概念。之后有列夫?佩特洛维奇?菲奥柯蒂斯托夫（Lev Petrovich Feoktistov）在1989年发表论文说明了天然铀里也存在核裂变波（existence of nuclear burning wave in natural uranium medium）。

这里特别介绍几句这位在中国不太知名的伟大的前苏联科学家，生卒于情人节，是前苏联氢弹众多“父亲”中很重要的以为成员。之后还有美国的氢弹之父爱德华?泰勒（Edward Teller）在1996特地跑到俄罗斯做了关于增值-燃烧概念的报告。之后还陆续有一些大牛也发表了相关著作或者相关报告。目前的普遍共识是，行波堆的概念在理论上是可行的[5-9]。

行波堆发展简史（图片来源Terrapower官网）

行波堆的原理在看完了上一章的介绍应该很容易理解，其实就是靠初始的高富集度燃料棒“点火”，释放出大量的快中子，将附近的“贫”燃料棒中铀-238转化为易裂变核素钚-239，所以核裂变的“火焰”就会逐渐蔓延到附近被“增值”了的燃料棒上，“火焰”所在之处便是一个功率峰值，随着“火焰”逐渐蔓延开，这个功率峰会向着“新燃料”生成的方向移动，这就是“行波”（traveling wave）二字的由来。而这个“行波”过程的一维模拟可以在下面的小视频中得到一个直观感受。

比尔?盖茨在2010年TED演讲的时候提到的燃料棒是按照这个一维扩散的概念来堆放的，而现在又多了一个所谓的“驻波”概念，就是通过移动燃料棒的方法，让“火焰”留在中心，实现了“行波”的“原地踏步化”。

行波堆的好处是显然易见的，它大大得增加了核裂变的效率，既提高了燃料的燃耗（理论值30%），又降低燃料的富集度要求（直接使用天然铀，甚至使用燃烧后的“贫燃料”）。从燃料成本来看，天然铀大约比20%富集度的铀燃料便宜100倍，同时因为燃烧完全，行波堆的废料所含的剧毒锕系元素非常稀少，不需要额外的“去锕处理”，因此行波堆不仅降低了发电成本，还降低了环境污染的隐患，真正达到了核能环保高效的初衷。

从Terrapower的原型机设计图来看，原型机将使用金属钠作为冷却剂，有随时可以插入反应堆停止裂变的控制棒，还配备了辅助冷却系统以防意外。

Terrapower的行波堆原型机设计图（图片来源Terrapower官网）

光从设计图来看，TWR似乎也没有什么太过于特别之处，那么难点到底在哪里呢？

首先是包壳材料，一般目前能获得最好材料的dpa（displacements per atam 一种描述材料抗辐射强度的单位）为100多，而行波堆要求可能要在500dpa左右，这对包壳材料的强度是个巨大考验，甚至有没有理论上的可能都是有争议的。

其次是冷却剂的负反馈机制，对于金属钠来说，只可以用于小反应堆（功率小于100MW），而对于大型反应堆，金属钠的做出的是正反馈，也就是说一旦出现问题，金属钠会推波助燃让核反应更加剧烈，直至炸堆。而对于其他冷却剂也存在着各种问题，比如，使用氦气的气冷堆会有很严重的漏气问题，而带有放射性元素的氦分子一旦泄露，对环境的危害是极为严重的。

解决这些问题需要人类的智慧和无穷的想象力，然后再去不断地理论计算和实验论证。比如，包壳的强度如果达不到要求可以用更换包壳的方式来折衷完成，在AI和工业自动化日益成熟的今天，这未必就是不可能完成的任务。而关于冷却剂的选择，也许可以套用英国独立科学家詹姆斯?洛夫洛克（James Lovelock）在他1998出版的《The Ages of Gaia》中的一句话:“核裂变反应就像一团诡异的火焰，越浇水烧的越好。”

按照比尔?盖茨的说法，大约2025年会出现原形堆，而到了2050年将有可能彻底取代地球上的所有火电，实现发电“0”碳排放。在最新接受《麻省理工科技评论》的独家采访时，他提出了行波堆的实验堆最有可能建在中国。大家可以拭目以待，看看增值燃料反应堆能不能在一百年里从理论真正走入应用，同时看看TWR能否在众多竞争对手中独领风骚。以下视频是比尔?盖茨2010年的TED演讲。

不怎么靠谱的ITER（国际热核聚变实验反应堆）

严格来说，地球上的能量目前大多都来自于核聚变，因为太阳之所以耀眼是因为它本身就是一座熊熊燃烧的核聚变炉。可惜的是核聚变在地球上目前唯一的成功应用只有氢弹。虽然如果用作发电，核聚变相较于核裂变具有太多的优势：安全性高（反应不维持就会停止）、核废料半衰期极端（泄漏时危害小，废料处理成本低）、原料易获得（从水中来）等，遗憾的是聚变核电迄今为止，甚至都没有实验室成功的例子。

那么人类做到哪一步了呢？

目前为止可控核聚变已经成为可能，但是用于引发和控制核聚变的输入能量要大于核聚变本身放出的能量，暂时还是个亏本买卖。为了将核聚变发电真正变为可能，2006年由欧盟为主办方，外加美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度六个国家草签了一系列协议，最终开始了这个人类史上除了国际空间站以外最烧钱的科研项目——国际热核聚变实验反应堆项目（International Thermonuclear Experimental Reactor,简称ITER）。这个项目当时的估计是进行三十年，总耗资100亿欧元。

ITER项目选取的可控核聚变实现途径是磁约束聚变（Magnetic confinement fusion），它的原理其实很简单，就是把原料重氢（氚）和超重氢（氚）等离子化，然后用磁场拘束等离子体中的带电粒子沿着磁力线方向作螺线运动，最后的宏观表现就是等离子体被“悬挂”在一个环形真空腔中。然后就可以进一步加热等离子体，直到核聚变发生。

ITER的Tokamak反应堆模型，图中紫色发光部分就是核聚变燃料等离子体。（图片来源ITER官网）