泰拉能源公司(Terrapower)是一家新创公司,它的部分资金来自内森•麦沃尔德公司(Nathan Myhrvold)和比尔•盖茨,这家公司即将建设一种新型核反应堆,称为行波反应堆(traveling wave reactor),它的运行依靠多种形态的铀。这家公司认为,它可能替代核聚变反应堆,这种反应堆也很有价值,因为也可以采用几乎取之不尽的燃料源来发电。
泰拉能源公司的反应堆设计工作始于2006年。自那时以来,公司已改变原来的设计,使反应堆看起来更像是传统的那种。这些变化将使反应堆更容易设计和建造。该公司还计算了反应堆的精确尺寸和性能参数。 泰拉能源公司预计,在2016年开始建设一座100兆瓦的示范电站,并在2020年开始运行。它正在合作的联盟,包括一些国家实验室、大学和企业,他们要克服新型反应堆的主要技术挑战:就是开发的新材料,要能够承受在反应堆堆芯一次使用几十年。它尚未获得建造实验厂的场地,也没有建设资金。
这种反应堆设计比传统的核反应堆更安全,因为它不需要用电来运行冷却系统,防止熔化。但新的反应堆不能解决的,可能就是今天核电面临的最大问题:建设成本高。约翰•吉兰德(John Gilleland)是泰拉能源公司的首席执行官,他说,公司预计,这种反应堆的成本大约相当于建一座传统的反应堆,“但决策人物对此仍然意见不一。”
传统反应堆产生热能和电能,是因为裂变的是稀有形态的铀,就是铀235。在行波反应堆中,只有少量的铀235用于启动反应堆。反应堆产生的中子,会把更丰富的铀238转换成钚239(plutonium 239),这种裂变材料可以产生核电所需的热量。铀238容易获取,部分是因为它是浓缩过程的废料,这种浓缩过程用来制作传统的核燃料。未来也可以实惠地从海水中提取铀238,如果需求的核燃料很多的话就可以这样。泰拉能源公司说,有足够多的这种燃料,可以给全世界供电100万年,即使每个人用电都像美国人一样多也行。
在泰拉能源公司最初的设计中,反应堆堆芯充满了大量的铀238。它的转换过程从一端开始,生产的钚会立即分裂,产生热量,并把更多的铀转换成钚。这种反应从一端移动到另一端,形成一种“推进波”,直到没有更多的反应发生。
在新的设计中,这些反应的发生,都靠近核反应堆的中心,而不是从一端移动到另一端。首先,铀235燃料棒放置在反应堆中心。围绕这些燃料棒的,是铀238制成的燃料棒。在核反应进行中,最接近堆心的铀238燃料棒,会最先被转换成钚,随后在裂变反应中被耗尽,同时在燃料棒附近产生更多的钚。最里面的燃料棒耗尽时,它们会被移出中心,就是使用远程控制机械装置把它们移到反应堆外围。剩余的铀238燃料棒,包括那些足够接近中心、部分铀已转化为钚的燃料棒,随后会被推向中心,代替废弃燃料。
在这个系统中,热量总是产生在同一个区域,就在反应堆堆芯,靠近中心的地方。因此,更容易设计这些系统,获取并使用热量发电。
这种设计的一大挑战,是确保覆盖燃料棒燃料的钢包层,可以承受数十年的辐射照射。目前的材料都不够好:一方面,它们会开始膨胀,这会封闭燃料棒之间的空间,这个空间是冷却剂应该流动的。要持续用40年,这种材料需要做到耐用两到三倍,泰拉能源公司说。
公司正在使用计算机模型,预测目前可用的材料会如何随时间而变化,而且正在开发反应堆设计,以应对这些变化。例如,如果知道一种材料在反应堆内部条件下会膨胀,燃料棒间距的设计就要适应这种肿胀,道•阿特金森(Doug Atkinson)说,他是泰拉能源公司运营总监。
泰拉能源公司也开发出一些设计,采用被动冷却系统。就像其他许多先进的反应堆设计,泰拉能源公司采用熔融金属钠作为冷却剂。钠比水要花更长时间才能煮沸,这就使电站经营者有更多的时间来应对意外。如果断电,也有可能使用自然对流,冷却液就不需要持续泵入反应堆,就像在福岛那样。然而,使用钠的一个危险是,它接触到空气或水,就会剧烈反应。
泰拉能源公司下一步包括设计定稿,并寻找合作伙伴建立电站。它已经与中国,俄罗斯和印度的一些组织谈判。吉兰德说,公司预计将在未来几个月公布合作伙伴。
先进反应堆走近现实
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