主题：聚变PK裂变 -- tojinge

在严苛条件下抑制炉料膨胀的材料开发为首，长期运转的经验等TWR面临的技术难题，都有待今后解决。但实现TWR的雏形已经出现。

　　这就是与TerraPower有合作关系的东芝正在开发的、名为“4S（Super-safe，Small And Simple）”的小型反应堆（图8）。虽然其燃料更换频度为30年，只有TWR的一半以下，但比起更换频度仅数年左右的现有轻水反应堆要长得多。而且，由于“采用目前数据完备的材料进行设计”（东芝电力系统公司原子能业务部技术总监尾崎章），因此可行性较高。包覆管方面，计划采用公认炉料膨胀特性优异的铁素体钢“HT9”。

　　东芝已于2007年10月在美国提出了4S预备审查的申请，在此之前已在4次公开会议上进行了说明。东芝预计2014～2015年前后4S的正式审查会开始，在接到正式审查的结果后，于本世纪2010年代后期实用化。

　　如果在美国通过审查，该公司将发挥输出功率仅为10M～50MW这一4S的特点，力争安装到岛屿以及小型社区等。东芝称，位于美国阿拉斯加州、人口为1000人左右的加利纳（Galena）村已对导入4S表示出了意愿。

　　4S的特点是，在注入了燃料浓缩铀的原子反应堆四周，设置有反射中子移动反射体。移动反射体只有某一部分达到临界状态。通过缓缓移动该反射体，可使燃烧区域在30年时间内不断移动。

　　东芝已成功开发出了用于使冷却材料Na进行循环的电磁泵实物尺寸试制机，并且表示“技术上没有大的障碍”（东芝的尾崎）（图9）。由于电磁泵比机械泵的可靠性更高，适于长期运转。与这种电磁泵以及4S长期运转相关的技术，也能应用于TWR。

　但是，条件更加严苛的TWR中的炉料膨胀问题，似乎不会仅凭4S技术的扩展马上就得到解决。因此，既然材料的开发十分困难，那就保持燃料不变而更换包覆管，日本东京工业大学的关本另辟蹊径提出了这样一个创意。

　　关本此前自主开发出了与TWR类似的“CANDLE”（Constantaxial Shape Of Neutron Flux，Nuclidedensities And Power Shape Duringlife Of Energy Production）燃烧方式。如果采用包覆管更换方式，便无需等待遥遥无期的材料开发，可及早制造出CANDLE。

　　虽然包覆管的更换要耗时耗力，但“比起在轻水反应堆里继续进行浓缩及再处理，优点要多”（关本）。包覆管更换的难题在于，使燃烧过的燃料与包覆管保持容易分离的状态。在什么条件下容易分离呢，是否应在燃料与包覆管之间置入别的材料，等等，必需加以确认。

　　东芝以及关本等TerraPower的合作伙伴开发出的成果，将会有助于TWR的实现。除此之外，TerraPower称，目前正与俄罗斯、中国以及印度的研究人员进行接触。该公司意图凭借风险企业运转灵活这一点来吸引世界各国的技术，借此开拓实现TWR。

德国不是做出了衰变电池吗？

　2006年某日。在知识产权投资公司——美国高智发明（Intellectual Ventures Management，LLC，IV）多个领域的专家会聚在一起。他们到此是为了出席该公司探讨未来技术的例会“Invention Session”。也许是因为高智发明的两位创始人都来自美国微软的缘故，会议室里还出现了比尔·盖茨的身影。

　　会上作为能源问题的解决方案，提出了开发新型原子能发电系统的问题。要想既具有安全性及经济性、又满足核不扩散及减少废弃物等必要条件，应怎样做呢？作为一个答案，有人提出了长时间不用更换燃料的想法。这个想法其实早已有之。参加会议的原子能发电专家Lowell Wood早在1996年，就在与被誉为“氢弹之父”的Edward Teller共著的著作中发表了有关想法。然而，这一想法至今没有变成现实。

现在也许可以使用超级计算机等手段来加速开发。有此想法的高智发明决定成立风险企业——美国TerraPower公司来实现理想的原子能发电系统。出资者除了高智发明之外，比尔·盖茨也名列其中。

　TerraPower公司开发的原子能发电系统“TWR”（Travelling-wave Reactor）与目前主流的轻水反应堆有哪些不同呢？最大的不同在于燃料的燃烧机制。通常，轻水反应堆中要预先放入多于临界*状态所需量的原子核分裂性物质（浓缩铀），根据燃烧状态缓缓拔出用以吸收中子的控制棒，借此保持临界状态，同时进行发电。燃料的更换每隔数年需要进行一次。

与此不同，TWR是在生成原子核分裂性物质的同时进行发电。当作为燃料填充了贫化铀时，接收了中子的贫化铀经过β衰变慢慢变成钚。这些钚的原子核会发生分裂，可利用分裂时的热能进行发电，同时，分裂时释放出的中子又成为将别的贫化铀变成钚的导火索。由于燃烧区域会慢慢移动，因此，可在不更换燃料的情况下在60～100年的长时间内持续发电。

　另外，由于即使没有控制棒也能保持临界状态，因此，不仅可简化构造，从而有助于降低成本，还具有发生事故时不会达到超临界*状态等优点。

除此之外，作为TWR的优点，还有可简化燃料周期这一点。轻水反应堆所使用的浓缩铀，是由储量有限的天然铀浓缩加工而成。与此不同，贫化铀从现有的轻水反应堆中的废弃燃料而来，因此，可以利用这些贫化铀。不仅不需要浓缩工序，而且还有丰富库存。另外，由于TWR的燃烧程度较高，因此，还可减少废弃燃料的数量。

成本低廉、操作简便，TWR称得上是一种理想的原子能发电系统。然而，事情是否会按照TerraPower的计划进展，还是个未知数。许多原子能专业的人士都指出，“实用化的最大难题在于材料”。特别是，受中子影响最大的燃料密封包覆管的材料开发是一大难题。TWR不仅燃烧程度较高，而且温度也高，因此，对材料而言是一种严酷的环境。

　　通常，中子的照射会导致包覆管发生各种问题。问题之一是“炉料膨胀”。如果中子照射到金属上，则金属原子会产生运动，从而形成点阵缺陷。被中子撞击出去的金属原子变成点阵间原子，金属原子此前所在的位置变成原子空洞。这其中，如果多个原子空洞聚集在一起，则会形成“空隙（Void）”（图7）1）。这种空隙会导致金属的体积增加形成包覆管膨胀，这就是被称为炉料膨胀的现象。原子反应堆由很细的包覆管汇集而成，冷却材料在包覆管间流动。如果发生炉料膨胀，就会阻碍冷却材料的流动，从而造成温度上升等恶劣影响。

抑制炉料膨胀现象，一般采用利用微细析出物等使出现的原子空洞消失，借此预防空隙发生的手段等。不过在目前的情况下，即便采用这种方法，在TWR的条件下具有60～100年耐久性的材料也不存在。作为表示照射造成的损伤量的值，预计TWR要求必需达到400～500dpa（Displacement Per Atom），但目前的材料才刚刚超过100dpa。

至今人们谈起新一代核能，仍以快堆为核心。第四代国际论坛确定的六个核能系统，明确三个为快堆。快堆系统中，钠冷快堆(SFR)占据“先天优势”。

反应堆的关键是用什么介质将反应堆中的热量取出来。现在普遍使用的压水反应队都是采用水作为介质把热量取出来。但是水是快中子的慢化介质，能够阻断热中子嬗变U238等不易裂变的材料的进程。如果采用Na、氦气等作为传输热的介质的话，它们不是热中子的慢化剂，从而U235发出的热中子大量地被用于将U238等不易裂变材料，变成易于裂变的材料，从而起到“增殖”的作用。

和平利用核能，核科学先驱最先想到的是发展快堆。二次世界大战结束后，费米博士最早动员他的学生、阿贡实验室主任沃利齐恩组织核科学与技术专家开发快堆。世界上最早证实核能发电的不是压水堆，而是阿贡实验室的钠(化钾)冷快堆EBR-I。

钠冷快堆的最大优势是“增殖”性能好，可将堆内大量铀-238转换为易裂变的钚，使核燃料越用越多。如果没有包壳材料性能的限制，反应堆不用换料，能长期运行下去。战后激烈的核军备竞赛中，快堆的这种特性对军方很有吸引力，美国EBR-I就是在军方强力支持下，在很短时间内建成的。经试验确认增殖能力后，又建造了钠冷实验核反应堆冷（SRE）。连正在开发压水堆核推进器的海军，也建造了钠冷堆核动力推进的第二艘核潜艇海狼号。

不过，海军的实验不成功，很快被拆除。而海军上将里克沃尔的结论意见，对钠冷堆很不利：“钠冷快堆，建造昂贵，运行复杂，即使很小的故障也很敏感，使停堆持续很长时间…而且检修困难、费时”，至今仍被引为“经典”。

美国以钠冷快堆为主的快堆技术发展很快，而且决定了世界快堆技术的发展方向。其实，世界快堆近60年的发展史实际上就是SFR的发展史。发展SFR的国家总计$500多亿的投入，300堆年的运行经验，技术和安全上有很大提高，但总体形象没有根本改善，从“确定论”观点，还得不出比现代轻水堆更安全、可靠的结论。1970年代美国政府全面停止快堆研发，英国原型快堆长期遭受热交换器泄漏的折磨，法国超凤凰刚建成即被迫关闭，日本文殊原型快堆钠泄漏成为公众关系灾难……世界仅存的“硕果”是俄罗斯的BN-600长期安全运行。快堆研究活动陷入低迷、停顿状态，甚至有中断的危险，曾使IAEA呼吁“抢救”、保护快堆开发的知识遗产。

快堆技术发展的关键是冷却剂选择。钠的核与物理性能优越，化学性能与工程应用也有很多优势。但钠泄漏、与空气或水接触危险，使系统和设备设计变得异常复杂，仍然免除不了“钠综合症”的磨难，很难让非专业人士和普通社会公众对其安全有很强的信心。

钠冷快堆的根本性问题是钠的特性能使倍增时间短，从安全角度考虑，增殖堆堆芯的“正空泡效应”不可接受。这种效应可以缓解,但直接损害了堆的增殖能力。快堆的安全与增殖是相互对立的。BN-600多年连续安全运行的原因值得深入总结，其增殖增益为-0.15。降低增殖比“便于确保降低核电厂成本的同时解决安全问题”。