行波堆（TWR）是一種通過嬗變過程把可增殖核材料轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炎兒巳剂系男滦头磻?yīng)堆。與其它類型的快中子及增殖反應(yīng)堆不同，它不需要或者僅僅需要少量的濃縮鈾，就可以燃燒貧化鈾、天然鈾、輕水反應(yīng)堆卸出的乏燃料或者是前面這幾種材料的混合物。

       到目前為止，作為核電反應(yīng)堆的主要燃料，天然鈾中只有約0.7%的同位素能被直接利用，但是，利用行波堆技術(shù)，鈾資源的30%-40%，甚至 60%-70%可以物盡其用。也就是說，和其它核電反應(yīng)堆不同的是，行波堆技術(shù)可以直接利用現(xiàn)在被廢棄的鈾同位素，甚至是只經(jīng)過簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化的核電廠廢棄燃 料，對(duì)其深度焚燒而產(chǎn)生巨大能量，將沉重的廢物負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)換為高額經(jīng)濟(jì)效益。

       1. 行波堆的發(fā)展歷史

       行波堆的想法可追溯到20世紀(jì)，1958年Saveli Feinberg首次提出了反應(yīng)堆堆芯自增殖的概念，并稱之為“breed and burn”反應(yīng)堆。Michael Driscoll 對(duì)這一概念進(jìn)行了更深入的研究，并在1979年發(fā)表了相關(guān)的論文。此后，1988年Lev Feoktistov，1995年EdwardTeller和Lowell Wood，2000年Hugo van Dam 以及2001年HiroshiSekimoto也先后發(fā)表了相關(guān)的研究論文。

       迄今為止，全球還沒有建造真正的TWR。但是2006年，Intellectual Ventures成立了一家名字叫做TerraPowerLLC的子公司，對(duì)這種行波堆的概念進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

       TerraPower設(shè)計(jì)了低功率到中等功率（30萬千瓦）到大功率（約100萬千瓦）的幾種不同的級(jí)別的反應(yīng)堆，開發(fā)出了一個(gè)實(shí)用的設(shè)計(jì)。

       IntellectualVentures公司已獲得了該技術(shù)的專利，現(xiàn)在正和一家反應(yīng)堆制造商討論專利許可事宜。盡管仍有一些基本的設(shè)計(jì)問題需要加以解 決，如反應(yīng)堆如何在事故條件下運(yùn)行的精確模型等，但有關(guān)方面認(rèn)為，一個(gè)商業(yè)化反應(yīng)堆可在2020年初開始運(yùn)行。IntellectualVentures 公司認(rèn)為，在核工業(yè)全面復(fù)興和核燃料供應(yīng)緊張的情形下，行波堆設(shè)計(jì)沿著這條路走下去一定會(huì)吸引更多人的目光。

       2. 行波堆的特點(diǎn)

       （1）節(jié)約核燃料

       TWR可以在建造時(shí)就裝上足夠量的貧化鈾，這些貧化鈾足夠反應(yīng)堆滿負(fù)荷運(yùn)行60年，甚至更多。由于TWR的高燃耗、高熱效率和高燃料密度，對(duì)于每單位的電能，它所消耗的鈾要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輕水反應(yīng)堆。這些特性在提高燃料增殖能力的同時(shí)，還大大地降低了燃料和核廢料的體積。

       作為原料，貧化鈾供應(yīng)量充足。目前，美國(guó)大約有70萬噸的貧化鈾庫(kù)存，這些貧化鈾都是鈾濃縮工業(yè)過程的副產(chǎn)品。據(jù)估算，如果采用TWR技術(shù)，它們可產(chǎn)生 100萬億千瓦時(shí)的電力供應(yīng)本國(guó)使用。TerraPower公司的科學(xué)家還估計(jì)，如果廣泛應(yīng)用TWR，全球的貧化鈾庫(kù)存能夠供全世界80%的人口以美國(guó)人 均能耗的水平維持100萬年。從原理上來說，TWR能夠燃燒來自輕水堆的乏燃料，這是可能的，因?yàn)檩p水反應(yīng)堆的乏燃料的成分里大多數(shù)也是貧化鈾。再者，在 TWR的快中子能譜中，裂變產(chǎn)物的中子俘獲截面比其在輕水堆的熱中子能譜中低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用，還需要在技術(shù)上的進(jìn)一步研究。TWR同 樣能夠重新使用它們自己的燃料。在TWR中用過的燃料仍然有較高含量的可裂變物質(zhì)。這些物質(zhì)不需要分離，直接重新成型封裝，即可用作啟動(dòng)其它TWR的燃 料，這樣也就不再需要濃縮鈾工藝了。

       行波堆通過對(duì)抑制堆芯燃料的分布和運(yùn)行，核燃料可以從一端負(fù)級(jí)啟動(dòng)點(diǎn)燃，裂變產(chǎn)生的多余中子將周圍不能裂變的U-238轉(zhuǎn)化成Np-239，當(dāng)達(dá)到一定濃 度之后，產(chǎn)生裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，同時(shí)開始焚燒就地生成的燃料，形成行波。行波以增殖波先行、焚燒波后續(xù)，一次性裝量可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)十年甚至上百年。為維持運(yùn) 行，堆芯燃料部分保持常規(guī)的大小質(zhì)量，按正常方式通過核能，將熱量帶出堆芯，產(chǎn)生蒸汽，其余部分為燃盡或待增殖的燃料。除最初的啟動(dòng)源需要濃縮鈾，其它所 有燃料都可以來自天然的材料或輕水堆的乏燃料，因此不需要分離濃縮。在實(shí)際工程化過程中，行波堆可以選擇使用定期移動(dòng)燃料、增殖焚燒波的空間固定處理方 式。

       （2）防止核擴(kuò)散

       對(duì)反應(yīng)堆的核燃料進(jìn)行濃縮及定期打開反應(yīng)堆補(bǔ)充核燃料，是核電廠運(yùn)行中最繁瑣和昂貴的步驟。用過后的核燃料從反應(yīng)堆中取出后，必須對(duì)之進(jìn)行再處理以回收可用材料。

       當(dāng)行波反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，其堆芯逐漸將在熱堆中不參與裂變的材料轉(zhuǎn)變成它所需要的核燃料。Intellectual Ventures公司的核計(jì)劃部經(jīng)理約翰·基勒蘭德稱，基于如此設(shè)計(jì)的核電反應(yīng)堆在理論上可以運(yùn)行兩百年，而不用再次加注核燃料。

       基勒蘭德的目標(biāo)是利用目前的核廢料來運(yùn)行反應(yīng)堆。常規(guī)熱中子反應(yīng)堆使用鈾-235，很容易裂變并產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，但鈾-235既稀缺又昂貴，必須在特殊的濃 縮工廠從更為常見的非裂變材料鈾-238中分離出來。每隔18個(gè)月至24個(gè)月，就必須打開反應(yīng)堆，，每次從中取出數(shù)十個(gè)乏燃料組件，用新核燃料組件予以替 換，以供應(yīng)所需的裂變鈾。這就衍生出了核擴(kuò)散問題。

       但是，行波反應(yīng)堆只需薄薄的一層鈾-235，其堆芯中大部分為鈾-238。麻省理工學(xué)院核燃料循環(huán)項(xiàng)目執(zhí)行主任查爾斯·福斯伯格說，該設(shè)計(jì)提供了核燃料循環(huán)的最簡(jiǎn)單的可能，這樣全球只需一個(gè)鈾濃縮工廠就夠了。

       該反應(yīng)堆的訣竅在于自身就能將鈾-238變成一種可用核燃料钚-239。常規(guī)反應(yīng)堆也能產(chǎn)生钚-239，但是必須取出用后的乏核燃料，將之切斷并用化學(xué)方 法提取钚，這是一個(gè)昂貴的過程，也是制造原子彈的一個(gè)主要步驟。行波堆產(chǎn)生出钚，并立即加以使用，從而消除了被專用于生產(chǎn)核武器的可能性。一個(gè)不到1米的 活性區(qū)域沿著堆芯運(yùn)動(dòng)，就能給前方不斷地提供新的钚核燃料。

       通過使用行波堆，可以極大地簡(jiǎn)化、減少燃料循環(huán)中的許多步驟，可以逐步降低復(fù)雜的產(chǎn)能，以及復(fù)雜昂貴的核燃料體系。所以行波堆的路線，不僅可以提前實(shí)現(xiàn)核能大規(guī)模可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)還極大降低了核擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)?，像鈾的濃縮和燃料的后續(xù)，是核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)。

       總結(jié)起來，行波堆的技術(shù)可以概括為核燃料一次性增殖焚燒，是一個(gè)理想狀態(tài)的先進(jìn)的事物，具有可持續(xù)、防擴(kuò)散、安全性和高經(jīng)濟(jì)性。行波堆可將鈾資源利用提高近百倍，廢物量減少數(shù)十倍，把使用百年的資源提升為數(shù)千年。