5月18日，我国正在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功，标志着我国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家，也有人认为这次成功将会是继美国引领页岩气革命之后的，由我国引领的天然气水合物革命，将会推动整个世界能源利用格局的改变。面对呼之欲出的可燃冰，核能是不是岌岌可危了！而在这之前，在美国著名科技杂志《大众机械》杂志发表了一篇关于乒乓球的实验，据说，这个实验可以预见核能的未来，下面跟随小编一起来看下这是怎么一回事吧。

乒乓球可以击碎球拍吗？

在高智公司的实验大楼里，一位科研人员正在进行着手上的实验：试验人员首先对加速乒乓球的管道抽真空，这样做的目的是保证高速运动的球不会被空气粉碎。接着，试验人员按下一个按钮在乒乓球大炮尾部装载400 psi的氦气，片刻之后，试验人员如同扣下扳机一般按下手中的红色按钮启动对小球的加速。这时，听到像大炮“砰”一样的爆炸声，小球撞到两英寸外的防弹胶合球拍上，乒乓球同球拍的碎片四处飞散，球拍的中心出现一个乒乓球形状的孔。试验证明，当乒乓球被加速到2.09马赫（约711 m/s）时，足以击碎球拍！之前，美国普渡大学的研究者也做过相同的实验，试验发现当重量仅为2.3克的乒乓球以1.2马赫（408 m/s）的速度击中乒乓球拍时，球拍被直接击穿，而乒乓球本身也随之粉身碎骨。

跟行波堆有什么关系？

自20世界50年代对核能利用以来，核反应堆基本保持着不变的设计：使用浓缩铀并在一定时期内需更换燃料。而据说，来自泰拉能源的“行波堆”设计则可使用天然铀，并且十年内不需要燃料的更换，这种说法是否靠谱也许可以从上面的乒乓球试验窥见一斑！

想象一下乒乓球是一个中子。在泰拉能源的反应堆中，该中子更像乒乓球一样行进，速度非常快。也就是说当高速中子同铀原子碰撞时能释放出中子，如同被撞击的乒乓球上飞出的碎片，且每次碰撞甚至能释放6个中子。这些快速运动的中子在同铀原子碰撞后速度损失很小，因而可以继续引发碰撞，释放更多的中子，最终在反应堆内以指数增长的效率持续这种连锁反应。

比尔·盖茨的能源梦——行波堆技术

这仅仅只是一个实验，但这个实验足以让行波堆的投资者兴奋不已。

2010年，比尔·盖茨此前曾在公开演讲时表示，如果一切顺利，行波堆大约还需要40年才能实现较为理想的低成本运行。说实话，比尔·盖茨应该都不知道他40年后在哪里，那他为什么还要投资这个看起来跟核聚变一样遥不可及的核电项目？

2000年，微软前CTO 、超级发明家内森梅尔沃德于离开微软，创立了在业内颇受争议的“专利流氓”公司—高智公司，2006年，在比尔·盖茨的入股和主导下，高智公司获得了行波堆技术的专利，并成立了其衍生子公司——泰拉能源公司，主要进行行波堆的研究。

实际上，在能源领域，比尔·盖茨已直接投资约10亿美元。而行波堆项目是比尔盖·茨投资的众多能源项目中的最瞩目的一个。因为在他看来，能源和气候对未来的人类社会非常重要，而先进的核能技术将是最终的发展途径。

行波堆先进在哪？

行波堆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。

行波反应堆模拟图。红色：铀-238； 绿色：钚-239；黑色：裂变产物；蓝色的深浅代表中子密度

行波堆的特殊之处在于，它的运行自动地将堆芯分成三个物理区域：新燃料区，主燃烧区和乏燃料区。

新燃料区的燃料成分可主要是天然铀、贫铀（浓缩铀尾料，含铀235低于0.2%，库存量极大）或轻水堆乏铀（U-236）或钍（钍-232可吸收中子衰变转化为易裂变的铀-233），该区主要的作用是利用快中子在与主燃烧区的边界处将大量的U-238逐步转化成Pu-239，为主燃烧区提供易裂变材料；

主燃烧区则利用新燃料区转化生成的大量Pu-239裂变产生能量，反应活性非常高。燃烧区在初始阶段使用浓缩铀或乏燃料回收的钚（目前趋向于使用浓缩铀，钚不易进行设计）；

乏燃料区是随着Pu-239的消耗和大量的裂变产物生成，反应性逐步降低，中子通量也降低到新燃料区的水平。

形象一点说，行波堆如同燃着的烟，点燃后就可以一直燃烧，直到烧完为止，只不过行波堆是一根超长的烟，其燃烧速度只有数cm/年，2米高的反应堆可持续燃烧数十年甚至上百年，这样在全寿命期内可不需要换料！                               

行波堆技术意味着无需进行大规模燃料浓缩，减少对铀资源的依赖，同时可简化乏燃料后处理技术路线，无需进行大规模乏燃料后处理，降低二次分离面临的技术复杂、成本高昂和核扩散风险问题。

行波堆研究进展如何？

目前行波堆最大的障碍是燃耗与材料辐照性能问题。目前，传统压水堆燃耗大概在5%左右，快堆理论上已经达到20％，但行波堆燃耗要求在40%左右，这就对高辐照条件下材料的辐照性能提出了更高的要求。

在泰拉能源的计划表上，2015年-2025年为原型堆的设计、研发和建造阶段，在完成原型堆的设计后，在其建造、调试和早期运行期间，将完成商用行波堆的详细设计和策划。

验证中的全尺寸TWR燃料组件

为了提高行波堆的现实可行性，泰拉能源将行波堆的概念与池式钠冷快堆相结合，提出了点火区与增殖区组件倒料的策略，在充分利用已经相对比较成熟的快堆技术的基础上，通过在布料和倒料策略上的优化，以实现行波并提高燃料利用率。目前泰拉能源和中核集团准备合作研发的600MW的原型堆TWR-P，实质上是一种有倒料操作的钠冷快堆。通过在原型行波堆进行充分的试验和材料的辐照测试，逐步进行技术积累，最终实现商业驻波堆(TWR-C)的型号研发并推广。

然而，近乎完美的核能利用装置在有些人看起来并不那么完美。

行波堆招来了一些希望大力推广钍做核燃料的人的批评。批评者认为快堆建起来已有难度，行波反应堆就更难。此外，行波堆燃烧后的退役也是个问题。还有就是经济性问题，如果实现商业化，是不是在电力市场中具有竞争优势？

不过，当前最大的问题是这一技术最终能否实现商业化运营，该技术目前还处在实验室阶段，若要真正商业化落地，可能还需要超过二十年的时间。

行波堆的发展历史

• 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”的概念，主要物理过程为可转换材料(如U-238)在反应堆内的“原位”增殖和焚烧，将整个闭式燃料循环在同一个堆内实现，简化核燃料循环，提高一次通过模式的铀资源利用率。由于该增殖焚烧过程通常有增殖行波和焚烧行波的物理图像，被广泛称为“行波堆”。可是，在当时的技术条件下，行波堆就像核聚变一样遥不可及，只能是一个纯理论研究。行波堆的燃耗要达到30%以上，燃料包壳辐照要达到500dpa(材料辐照性能)以上，而在当时的实验室条件下，材料辐照性能也达不到一年百个dpa。相对而言，当时的压水堆技术，技术可行性更高，更具备工业应用条件，世界核电便以此种技术大规模发展起来。行波堆就这样被遗忘在工业应用的门槛之外。
• 十九世纪七十年代，布鲁克海文国家实验室（Brookhaven Natioal Laboratory, NL）和麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）联合研究了的混合谱反应堆（Fast Mixed Specturm Reactor, FMSR），该堆芯设计耦合了快中子和热中子增殖堆的概念，核燃料在外围热中子区主要实现增殖而在中心快中子区主要进行燃烧。并在1979年发表了相关的论文。
• 1995 年 Edward Teller（美国“氢弹之父”） 和Lowell Wood等详细描述了堆芯内增殖燃烧波沿轴向缓慢传播的过程。
• 1997年，俄罗斯研究人员 Georgy Toshinsky提出了铅冷快堆的概念。
• 此后，2000年Hugo van Dam 以及2001年Hiroshi Sekimoto也先后发表了相关的研究论文，利用数学分析方法研究了行波堆的增殖燃烧特性，从理论上提供了行波存在的证据。
• 2006年，高智公司成立了一家名字叫做Terra Power LLC的子公司，对这种行波堆的概念进行工程化设计和经济性评价。

参考文章来源：

1. 大众机械杂志，http://www.popularmechanics.com/science/energy/a26081/nuclear-power-ping-pong/

2. The Traveling Wave Reactor: Design and Development，Engineering, Volume 2, Issue 1, March 2016, Pages 88–96.

3. 比尔·盖茨的中国新能源之旅，http://www.iceo.com.cn/guanli/110/2011/1221/237611_3.shtml

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