1、1比尔盖茨出资的核电公司在干什么？作为发电时不排放 CO2的技术，原子能发电再次受到了人们的关注。在全球原子能发电开发竞争日益加剧的背景下，出现了一家格外引人注目的风险企业。这就是比尔盖茨出资的 TerraPower 公司。据介绍，该公司开发的原子能发电系统可同时满足经济性、安全性以及核不扩散等要求。为了实现这种理想的原子能发电系统，TerraPower 开始从全世界引进技术。 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
2、 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 共着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器等手段来加速开发。有此想法的高智发明决定成立风险企业美国 Terra
3、Power 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。 波及到其它能源技术 力图实现理想的原子能发电系统的，不只是 TerraPower 一家。作为发电时不排放 CO2而再次受到瞩目的原子能发电系统，有关开发在全球都活跃。 如果在此背景下实现新创意的原子能发电系统，那么，目前低廉的原子能发电成本还有可能进一步下降。如果具备了安全性及核不扩散等必要条件的话，还将有助于实现设置场所的多样化（图 1）。 2图 1 实现理想的原子能发电新的原子能发电系统所要实现的目标，是满足经济性、可持续性、安全性、核不扩散以及减少废弃物等要求。如果得以实现，将会对其他能源技术带来影
4、响。理想的核发电系统究竟能不能实现呢？尽管技术障碍相当大，一些课题已经摆在人们面前，但解决问题的各种措施也正在推进。这种情况下，由于运用 IT 技术的风险企业这一新的开发主力出现，与以往不同的开发方式也许会快速推进。虽然困难，但实现之路还是渐渐显现出来。 人才、资金、速度 在欧美及日本等国家主导的国际性开发计划中，对目前主流的轻水反应堆以及未来的高速反应堆的开发正在稳步推进。以 2030 年的实际使用为目标，被称为第 4 代的新一代反应堆正在开发（表 1） 注 1。此项开发工作还制定了经济性、可持续性以及核不扩散性等目标。 3注 1） 第 4 代反应堆的可选方式包括：超高温原子反应堆（VHTR
5、）、钠冷却反应堆（SFR）、气冷高速反应堆（GFR）、超临界水冷反应堆（SCWR）、铅合金冷却反应堆（LFR ）以及熔盐反应堆（MSR）。其中，VHTR 及 SFR 有许多国家已着手进行开发。 表 1 新一代原子能发电系统在由国家主导的国际性开发计划之外，企业以及研究机构中新的原子能发电系统的开发也在进行。 30100 年间无需更换燃料是这种系统的特点，最早有望在本世纪 10年代后期面世。TerraPower 的动向与这种国际性开发活动不同，自成一派。该公司拥有由优秀人才支撑的技术实力、被这种技术实力吸引来的资金、以及风险企业特有的工作效率等优势（图 2）。 TerraPower 除了有各个领
6、域的 40 名专家每天工作之外，还有 75 名技术顾问提供协助。在这些技术顾问中，包括在 TerraPower 起步之前就独立地提出了同样创意的东京工业大学原子反应堆工程学研究所教授关本博。关本透露，“项目成员中甚至包括在美国主导开发第 4 代反应堆的研究人员，让我吃惊不小”。图 2 知识产权投资公司涉足原子能发电领域高智发明成立了开发原子能发电系统的 TerraPower 公司。成员中还包括与被誉为“氢弹之父”的 Edward Teller 关系颇深的 Lowell Wood（a）。充分利用超级计算器，力争实现高效率开发（b）。由这些技术专家进行开发的结果，在公司成立后仅 3 年多的 200
7、9 年 9 月，TerraPower便登上了美国原子能学会杂志NuclearNews的封面。以此为契机，该公司的技术迅速受到关注。关本在国际会议上的演讲，也有比以往更多的人前来倾听。获得新的资金 TerraPower 采取的策略是，不仅进行自主技术开发，还积极引进外来的技术，以便加快开发的速度。在此过程中发挥作用的，是公司内的原子能专家以及比尔盖茨等人拥有的关系。 42009 年 11 月，比尔盖茨等人访问日本，与东芝构筑起合作关系，并进而将触角伸向了中国（图 3） 注 2） 。 “虽然公司名称不便公布，但（TerraPower）与东芝以外的公司也有合作关系”（高智发明业务开发主管 Nicho
8、las Gibson）。 注 2） 除比尔盖茨之外，高智发明首席执行官 NathanMyhrvold 以及 TerraPower 公司首席执行官 John Gilleland 也曾访问日本。 如此优秀的人才及技术实力会吸引来资金，良性循环就此产生。 2010 年 6 月，风险资本美国 Charles River Ventures 以及美国 KhoslaVentures 合计向 TerraPower 出资了 3500 万美元。高智发明的 Gibson 认为，“最初的出资者高智发明以及比尔盖茨，说起来都是自家人。此次有外部资金的投入，使得 TerraPower 的技术获得了社会的承认”。 获得了新
9、资金的 TerraPower，计划于 2010 年年内完成核反应堆的概念设计。另外该公司表示，在试制了反应堆之后，将于本世纪 20 年代前期建设首座商用反应堆。 2006 年创业的风险企业要比全球都在开发的第 4 代反应堆还要更早地建成商用反应堆，可以说这是一个大胆的计划。这是重视工作效率的风险企业独有的创想。 慢慢生成燃料 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
10、用以吸收中子的控制棒，藉此保持临界状态，同时进行发电。燃料的更换每隔数年需要进行一次。 *临界原子核分裂产生的中子引发下一次原子核分裂的连锁反应持续发生状态。 5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 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（图 4） 注 3） 。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60100 年的长时间内持续发电。 注 3） 作为中子的来源，TWR 的首个堆芯有可能需要浓缩铀。下面将要提到的日本东京工业大
11、学的 CANDLE 也一样。另外，作为燃料的候选材料，除了贫化铀之外，TerraPower 还在探讨钍的可行性。 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。 *超临界原子核分裂导致的连锁反应逐渐增多的状态。 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（图 5） 注 4） 。另外，由于 TWR 的燃烧程度较高，因此，还可减
12、少废弃燃料的数量。注 4）高速反应堆对于从轻水反应堆排出的废弃燃料进行再处理，提取出钚并加以利用。 TWR 无需这个再处理工序。 TerraPower 公司虽然没有公布详细情况，但却自信地表示，如果将这种核反应堆构造、燃料的种类以及与燃料相关的处理等综合起来，“能比其它原子能发电系统降低发电成本”（图 6）。 6图 4 在反应堆内生成新的燃料TerraPower 公司正致力于开发可随着燃料的燃烧而生成新的燃料的方法。 TWR 的示意图为 TerraPower 公司制作。其余的图为本刊根据该公司资料等制作而成。图 5 简化核燃料周期TerraPower 公司表示，与现有的轻水反应堆相比省去了燃料
13、7的浓缩及再处理等工序，由此可降低成本。 （图：本刊根据TerraPower 公司的资料制作而成）图 6 1GW 系统的示意图TerraPower 公司制造的、输出功率为 1GW 的原子能发电系统示意图。采用 Na 进行冷却。中子照射导致产生空隙 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
14、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。 8图 7 材料开发至关重要要想实现燃料长期无需更换，盛放燃料的燃料包覆管的材料开发至关重要。目前的材料会出现起因于中子照射引发的空隙的
15、炉料膨胀现象。 （照片：日本原子能研究开发机构的伊藤正彦）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，藉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60100 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 400500dpa（Displacement Per Atom），但目前的材料才刚刚超过100dpa。东芝将实现 30 年无需更换燃料 以可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 TerraPo
16、wer 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9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 20142015 年前后 4S 的正式审查会开始，在接到正式审查的结
17、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 10M50MW 这一 4S 的特点，力争安装到岛屿以及小型小区等。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
18、，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。 图 8 30 年间燃料无需更换10东芝正在开发的小型高速反应堆“4S”。用 30 年时间缓缓提升移动反射体，使燃烧区域慢慢移动。 （图：东芝）图 9 技术难题得到解决东芝开发出了此前为技术难题之一的电磁泵。该公司称，由此4S 的技术难题得到了解决。电磁泵的外径约为 3m。 （照片：东芝）东芝已设计出一种号称超级安全、超小型、超简单的 4S 核反应堆，能连续运行 30 年。东芝希望美国政府批准它 2014 年以前开始建设 4S 反应堆，预计这种反应堆技术的80可用于 TWR。更换包覆管 但是，条件更加严苛的 TWR
19、 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。 11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，藉此开拓实现 TWR。-摘自技术在线作者：河合基伸 积聚改变世界的力量。
