【论文摘要】为了促进核能的发展，一种新型的核反应堆——行波堆的概念被提出，2015年中国核工业集团与比尔盖茨签订了共同开发行波堆的合作备忘录，在此关键时刻，对于行波堆发展前景的了解，有着重要意义，本文主要介绍了行波堆的基本概念、运行原理及其所具有的优势和面临的挑战，调研结果认为国家开展行波堆的研发工作，不仅具有重要的学术价值，对探索新的核能应用和燃料循环技术、提高燃料利用率，保持核电大规模可持续发展也具有重要的现实意义。

　　【关键词】新型反应堆；行波堆；前景展望

　　0 前言

　　目前鉴于能源匮乏及气候问题等对化石能源的限制，核能作为一种清洁、高效、储备丰富的新能源逐渐受到世界的重视，在满足发展核电的五点必然要求前提下（即可持续性、安全性、经济性、核废料处理及防止核扩散），为了促进核能的发展，开发了一些新的类型的核裂变反应堆，如裂变聚变混合堆、模块化高温气冷堆、行波堆等。

　　其中行波反应堆有着尤其新颖的设计，引起了盖茨很大的兴趣，于2015年9月与中国核工业集团签署了合作备忘录，将与中国对行波反应堆共同进行研发。据称其可以更有效的利用铀，且比传统的反应堆更为安全。

　　先进核能系统“行波堆”的出现是一个契机，然而很多人对这种新型堆的可行性和发展前景知之不多知之不深，对于行波堆发展前景的介绍，有着重要意义。

　　1 行波堆概念简介

　　行波反应堆通过易裂变核素增殖与消耗的动态平衡使得在全寿期的任一时刻，不仅反应性基本不变，重要物理特性参数如中子注量率分布、功率分布、核素分布等形状也基本不随燃耗而改变，且以一个恒定的速度在轴向移动或在径向形成定为“驻波”[1]，从而使得整个反应堆寿命为横功率运行。

　　它的基本思想是用一个相对较小的临界系统来形成一个临界波，点燃相对较大的次临界系统，我们假设有一个圆柱形的次临界系统，系统内易裂变核素核子密度较低，但系统内可裂变核素核子密度相对较丰富，通过在某一端添加外中子源（这个中子源可以是加速器产生的中子也可是一个临界的系统产生的中子），可以让这一端的可裂变核素转化为易裂变核素，有效增殖系数上升为1后，去掉外中子源，反应堆依然可以自行增殖，形成一个稳定向前推进的临界波。这个临界波有一些特性，在波的前端，由可裂变核素转化为易裂变核素，有效增殖系数上升，在波的后面，转化而来的易裂变核素由于消耗而减少，且生产了大量的裂变产物，导致有效增殖系数下降，两方面的作用可相互抵消[2]。

　　行波堆根据堆芯布置方式的不同分为轴向行波堆和径向驻波堆。

　　1.1 轴向行波堆

　　轴向行波堆根本出发点是反应堆燃料的消耗在轴向以一定的速度从一端向另一端推进。轴向行波堆在运行过程中，堆芯在轴向分为三个区：论文代写乏燃料区、主燃烧区、新燃料区。其中主燃烧区为富集燃料，中子注量率远高于其他两个区，是堆芯主要的能量来源；新燃料区可装载天然铀、贫铀、或者压水堆乏燃料等可裂变核素；乏燃料区是主燃烧区内易裂变核素消耗所积累的裂变产物。

　　1.2 径向行波堆

　　2009 年美国泰拉能源公司把CANDLE 燃烧概念“行波”在轴向传播转化为在径向形成称为驻波[3]。驻波堆在堆芯布置方式上与现有快堆差别较小，不同点是驻波堆通过专设的调换装置，定期对燃料组件进行堆内的径向位置调换，在堆内形成定位驻波实现对核燃料的自身增殖利用。径向驻波堆可降低燃料的平均燃耗深度，降低对材料抗辐照能力的要求，更易工程实现。

　　2 行波堆优势

　　行波堆易裂变核素产生并消耗的理念使得寿期初只需装入少量易裂变核素维持堆芯临界即可，且行波堆堆芯增殖所需的大量可裂变核素可来自于天然铀、贫铀、压水堆乏燃料等。这种独特的燃烧策略，使得所需易裂变核素的减少相应降低燃料的浓缩功，节约了成本；同时还提高了反应堆的安全性和可靠性[4]。

　　1）不需要反应性控制装置：反应堆控制更加简便，过剩反应性为0，使反应堆具有天然的固有安全性，由反应性引起的事故可以避免；没有吸收中子的控制棒，因此中子利用效率更高。

　　同时大大简化反应堆的控制机构，使得结构简单，操作简易。

　　2）反应堆特性随燃耗不发生变化；如功率峰因子、有效增殖系数等不随燃耗发生变化；不同燃耗期反应堆操作策略不变。

　　3）不需要冷却剂流量的控制：径向各点的功率特性不随燃耗发生变化，所需冷却剂的流量也不需要发生变化。

　　4）对径向功率分布的优化更加简便：由于径向各点功率不随燃耗发生变化，只需对某一燃耗点的径向功率分布进行优化，而无需考虑燃耗的影响。因此，优化方案更简单更彻底。

　　5）可以有效防止核扩算，减少废料处理通过增加堆芯高度可延长反应堆寿期，从而设计长寿命的反应堆，在反应堆寿期内不需换料并能达到很高的燃耗深度，从而减少对核废料的处理，并能更进一步的防止核扩散。

　　6）除燃耗区外，材料的k无穷都低于1，发生反应性事故的几率很小，燃料的运输和储存更加简便、安全。

　　7）在寿命期间或寿期后，他们的操作是完全自动的，没有移动部件，没有人类参与，可以避免错误和滥用。

　　3 行波堆面临的挑战

　　行波堆为核能大规模发展所遇到的铀资源供应和乏燃料后处理问题提出一个全新的解决方案，而目前世界范围内行波堆的研究还处于概念探索阶段，离真正工程实现还有一些技术问题亟需解决：

　　行波堆燃耗深度可达现有快堆的3至4倍，高的燃耗深度对燃料、包壳及结构材料等提出苛刻要求，如何解决快谱高中子剂量下包壳损伤以及在高燃耗时保持燃料、包壳材料完整性，进一步降低堆芯设计对堆芯材料性能的要求，是行波堆技术工程化的基础和关键技术之一。也许TWRS在核工程上带来最大的技术挑战是需要延长在高燃耗的燃料和原料的生存能力，在TWRS中，其燃耗的影响比率远远比在其他的反应堆内要高，对于堆芯结构材料，特别是燃料包壳。

　　寿期内反应性波动小是行波堆的技术优势也是技术难点，因为初始堆芯的增殖性能、燃料成分与寿期中、寿期末的差别较大，如何保持初始堆芯的反应性、功率分布形状与寿期中、寿期末的一致较难。合理的启堆区设计成为轴向行波堆堆芯设计的关键技术。

　　行波堆在堆芯结构、堆芯布置方式等诸多方面与传统意义的快堆堆芯有显著差异，从而使行波堆的堆芯物理与安全性能有所不同，堆芯分析方法也需进行相应调整以适应行波堆的特殊性。现有的堆芯物理分析方法和工具直接用于行波堆分析有一定困难。为使行波堆物理分析快速、准确，有必针对行波堆复杂的堆芯结构、高的燃耗深度等特点搭建一套全新的计算平台。

　　4 总结

　　综上所述，行波堆从根本上革新了现有燃料循环，是一种超越第四代反应堆更先进的全新反应堆概念，国家开展行波堆的研发工作，不仅具有重要的学术价值，对探索新的核能应用和燃料循环技术、提高燃料利用率，保持核电大规模可持续发展也具有重要的现实意义。

　　【参考文献】

　　[1]Hiroshi Sekimoto，Mingyu Yan. Design study on small CANDLE reactor[J]. Energy Conversion andManagement， 49（2008）： 1868-1872.

　　[2]Kevan D. Weaver， John Gilleland. AOnce-Through Fuel Cycle for Fast Reactors[J]. ICONE17-75381， July， 12-16， 2009.

　　[3]Kevan D. Weaver， John Gilleland. HighBurn-Up Fuels for Fast Reactors： Past Experience andNovel Applications[J]. Proceedings of ICAPP ’09，Tokyo， Japan，May， 10-14，2009

　　[4]娄磊，吴宏春，曹良志，等。行波堆初步概念设计研究[J].反应堆数值计算与粒子输运学术会议暨反应堆物理会议，2010.