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泰拉能源公司的行波反應堆正是21世紀我們所需要的能源。
乒乓球註定不能打出2馬赫的速度。如果乒乓球的速度為音速的2倍，它會直接在球拍上穿出一個洞。泰拉能源（TerraPower）公司是一家設計先進核能反應堆的初創公司，公司的工程師用加壓空氣炮向參觀者們演示了這一現象。演示生動地解釋了核裂變的一個關鍵概念：高速飛行的小物體撞擊看似不可撼動的大物體時，會產生巨大的衝擊力。
或許這還包含一個更重要的觀點，即迅猛發展的小型初創公司會對多年來看似不可撼動的電力行業產生巨大沖擊。在這個被氣候變化定義的世界，許多專家都希望未來的電網完全由太陽能、風能和水力發電供電。然而很少有人認為，在未來幾十年內清潔能源電網會很快出現，從而大幅減少溫室氣體排放。太陽能和風能發電的增長速度比其他任何能源都要快；儘管如此， 21世紀可再生能源政策網路的資料顯示，2015年，這些能源在全球一次能源消費中所佔的比例總計也不到2%。
為實現未來的清潔綠色電網，許多專家表示必須依靠核裂變發電。在眾多的無碳能源中，只有核裂變反應堆能夠不受天氣影響和地點限制，持續可靠地提供高質量電力。
然而自20世紀中葉第一批核電站執行以來，商業核反應堆幾乎沒有任何進展。現在世界上447座可執行反應堆中，有相當一部分已經暴露出了它們的老化問題和缺陷，並且繼日本福島第一核電站災難發生7年之後，核能利用陷入了岌岌可危的境地。從2005到2015年，核能在全球能源消耗中的所佔份額從5.73%降至4.44%。美國南卡羅來納州的兩個大型反應堆專案被廢棄，而英國欣克利角核電站的建造成本則不斷攀升，目前預計成本高達20.3億英磅（27.4億美元），這些都使核能利用雪上加霜。
但有一些國家對核能表現出了某種熱情：中國擁有38座核反應堆，共計33千兆瓦的核電裝機容量，並且計劃到2024年再增加58千兆瓦。目前，全球約有50座核反應堆正在建設中，這些反應堆加上計劃建設的另外110個，將為全球電網貢獻約160千兆瓦的核電裝機容量，並每年減少約5億噸的二氧化碳排放。如果要在交通運輸行業減少同等程度的溫室氣體排放，可能要廢棄1億多輛汽車，這約等於法國、德國和英國所有的乘用車。
在此背景下，幾家美國初創公司正在推動新的反應堆設計，據說可以彌補核能的主要缺陷。馬薩諸塞州劍橋市一家名為“核能轉換”（Transatomic Power）的初創公司正在開發一種在液態氟化鈾-氟化鋰混合物中執行的反應堆。丹佛市的四代能源公司（Gen4 Energy）正在設計一種能夠迅速在偏遠地區部署的小型模組化反應堆。
在眾多核能初創公司中，總部位於華盛頓州貝爾維尤的泰拉能源公司尤為引人注目，因為它財力雄厚，並與核能需求旺盛的中國關係密切。比爾•蓋茨作為該公司的投資人之一，出任該公司的董事長。為了證明設計的可行性，泰拉能源公司將在明年與中國核工業集團公司合作新建一座試驗反應堆。
為降低對煤炭的依賴，中國正努力爭取到2020年使可再生能源和核能的產能增加超過250千兆瓦。泰拉能源公司的總裁克里斯•萊韋斯克（Chris Levesque）認為這是建造安全、高效的核反應堆的一個機會。他表示反應堆的燃料不易用於製造武器，並且該公司聲稱其反應堆產生的廢物極少。更重要的是，泰拉能源公司宣稱即使反應堆無人看管，也不會發生災難性的事故。在萊韋斯克看來，它是解決世界能源危機的完美反應堆，他說：“如果沒有核能的話，我們無法切實減少碳排放，幫助10億人擺脫能源貧困。”
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泰拉能源反應堆是基於約60年前的設想演化而來的新變體，當時由一位現已被人遺忘的俄羅斯物理學家薩瓦里•範伯格（Saveli Feinberg）設計。第二次世界大戰之後，隨著美國和蘇聯陷入核軍備競賽，一些思想家猜測原子能能否用於戰爭武器之外的其他領域。1958年，在日內瓦舉行的第二次和平利用原子能國際會議上，範伯格提議可以建造一座能自行製造燃料的反應堆。
範伯格設想了我們現在的“增殖燃燒反應堆”。早期的提案中的描述是透過燃料源來緩慢推進核裂變波，就像一根能燃燒幾十年的雪茄那樣，隨著反應沿著堆芯發生，它會同時消耗和產生燃料。但在原子能的鼎盛時期，範伯格的設計是沒有任何競爭力的。儘管鈾資源儲量豐富，反應堆造價便宜、易於建造，但處理放射性廢物的艱鉅任務仍需要幾十年的時間來完成。
增殖燃燒的概念一直不被重視，直到20世紀90年代，“氫彈之父”愛德華•泰勒（Edward Teller）和天體物理學家洛厄爾•伍德（Lowell Wood）才又使其重新流行起來。2006年，伍德擔任高智公司的顧問，這家智慧財產權投資公司是泰拉能源的母公司。當時，高智公司正在探索一切能減少碳排放的潛在解決方案，如裂變、聚變、可再生能源。伍德提出了行波反應堆（TWR），即增殖燃燒反應堆設計的一個子型別。泰拉能源公司的首席技術官約翰•吉爾蘭德（John Gilleland）說：“我原本期望用幾個月時間發現它的問題，然後把重點放在可再生能源上，但是我並沒有發現任何問題。”
這並不是說伍德和泰勒設計的反應堆是完美的。“他們在90年代提出的這個設計很巧妙，但並不實用。”吉爾蘭德說。但它給了泰拉能源公司的工程師們一個起點和希望，如果他們能讓反應堆的設計實際執行起來，也許就能解決當今裂變存在的所有問題。
也有人對此並不那麼樂觀。美國能源與環境研究所所長阿爾瓊•梅基耶尼（Arjun Makhijani）認為：“行波反應堆存在多層次的問題，也許會出現神奇的新技術能解決它們，但希望我們不用依賴魔法。”梅基耶尼表示，即使解決了堆芯內部製造燃料的難題，維持核反應的穩定也非常困難，並且他指出泰拉能源將採用的堆芯冷卻技術基本上都有失敗的先例。
以伍德和吉爾蘭德為首的泰拉能源團隊首先利用計算機建模來應對這些挑戰。2009年，他們開始建造高階反應堆建模介面系統（ARMI），一種用於深層次模擬個性化反應堆的數字工具箱。利用高階反應堆建模介面系統，團隊可以定義每個反應堆元件的大小、形狀和材料，然後進行廣泛的測試。最後他們認為自己研究出了60年前由範伯格首先提出的增殖燃燒行波反應堆的實用模型。據萊韋斯克回憶，這個團隊帶著令人驚訝的訊息——“嘿，我們認為現在我們可以做行波反應堆了”——向他走來的時候，他加入了泰拉能源。
行波反應堆為何困擾物理學家數十年？首先要考慮到當今的核反應堆依賴於濃縮鈾，在濃縮鈾中，裂變同位素鈾-235與相應的穩定同類物鈾-238的比例比天然鈾中的要高很多。
當一個穿梭的中子擊中一個鈾-235原子時，能夠將原子分裂成鋇和氪的同位素，並留下3箇中子（就像高速乒乓球穿過堅固的球拍）。當足夠多的中子撞擊到足夠多的易裂變鈾原子時，就會出現臨界狀態，形成自給自足的核反應。在當今的反應堆中，實現臨界狀態的唯一途徑就是在燃料中配比大量的鈾-235原子。
相比之下，行波反應堆將可以使用貧鈾，貧鈾的鈾-235原子含量極少，無法在無輔助的情況下達到臨界狀態。而泰拉能源公司的解決方案是將169個固體鈾燃料細棒排列成六邊形。當反應開始時，鈾-238原子吸收多餘的中子轉變為鈾-239，在短短几分鐘內它衰變為錼-239，然後再衰變為鈽-239。鈽-239被中子擊中時，會釋放出2到3箇中子，這樣的迴圈足夠維持鏈式反應。
行波反應堆還會釋放大量能量，畢竟鈽-239是現代核武器中使用的主要同位素。但萊韋斯克表示，產生的鈽-239並不會使反應堆發生核擴散危險。恰恰相反，鈽-239不會在行波反應堆中累積，雜散中子幾乎立即就可將鈽-239分裂成一連串裂變產物。
換句話說，該反應堆正如幾十年前範伯格所設想的那樣，在燃料燃燒前會增殖它所需要的高度裂變鈽燃料。而“行波”所指代的反應堆與緩慢燃燒的雪茄式反應堆略有不同。在行波反應堆中，高架起重機系統就像一個精確的巨大拱形爪機，透過把燃料棒從堆芯的其他地方移入或移出，將反應保持在堆芯的環形區域內。
為了發電，行波反應堆採用比現在的反應堆更復雜的系統，現在的系統利用堆芯的極高熱量來加熱水並驅動蒸汽輪機發電。而在行波反應堆中，熱量先被液態鈉迴圈流吸收，然後液態鈉流出反應堆堆芯後，再加熱水驅動蒸汽輪機。
但梅基耶尼說，行波反應堆還存在一個重要問題。與水相比，熔融鈉可以從堆芯中轉移出更多的熱量，而且它對金屬管道的腐蝕性實際上也比熱水小。但金屬鈉是一種劇毒金屬，而且遇到氧氣就會劇烈燃燒。梅基耶尼說：“鈉冷卻的問題是行波反應堆的致命弱點。”
梅基耶尼列舉了兩個鈉冷卻反應堆存在固有困難的典型案例。法國的超鳳凰快堆（Superphénix），因為鈉經常洩漏到燃料儲存罐中，致使其在10年的運營時間裡產能很少超過7%。更讓人震驚的是，日本的“文殊”號反應堆在達到臨界狀態不到1年就關閉了，因為液態鈉迴圈的振動使管道破裂，鈉離子與空氣中的氧氣接觸，立刻引發了火災。梅基耶尼說：“有些反應堆執行得還不錯，有些運轉得很糟糕，還有一些導致了經濟災難。”
現在，泰拉能源實驗室裡堆滿了燃料棒和反應堆元件。此外，該團隊一直在試驗測試熔融鈉如何在反應堆管道中流動、對管道的腐蝕程度，以及經過幾十年高溫所有堆芯元件不可避免的膨脹等所有曾經困擾鈉冷卻反應堆的問題。泰拉能源公司的工程師將會把他們從測試中學習到的成果應用到建造試驗反應堆中，以此來檢測他們的設計是否真的有效。
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泰拉能源反應堆的安全性在一定程度上源自其內在的設計要素。當然，所有的核電反應堆均設計有安全系統，每個安全系統都有一個應對時間，即核災難發生前受損反應堆在沒有人員干預的情況下可以持續執行的時間。自20世紀80年代以來，人們一直在宣傳所謂的“內在安全核反應堆”的觀念，但泰拉能源公司的目標是建立一個依靠基礎物理學提供無限應對時間的反應堆。
行波反應堆的設計凸顯了核反應堆安全系統的一致標準。在反應堆發生事故時，由鎘等中子吸收材料精製而成的控制桿會迅速墜入堆芯，阻止會導致堆芯熔燬的失控鏈式反應，這被稱為緊急停堆。
緊急停堆可以在極短的時間內將反應堆裂變速率降低到幾乎為零，不過殘餘的熱量仍然可能導致災難。在切爾諾貝利，一些燃料棒在緊急停堆時斷裂，致使反應堆繼續熔燬。在福島第一核電站，冷卻系統受損，導致熱量無法從堆芯迅速轉移出去。這就是泰拉能源團隊為什麼想要打造一個即使安全系統失靈也可自然停堆的反應堆。
泰拉能源的反應堆可以保持冷卻狀態，是因為它的純鈾燃料細棒將熱量從堆芯轉移出去時比當今典型反應堆使用的燃料棒都更加高效。如果這還不足以防止熔燬，那麼該公司還有一個王牌。正如吉爾蘭德解釋的那樣，燃料細棒變得過熱時會膨脹，剛好讓中子從燃料細棒滑過，而不會撞擊更多的鈽-239，從而減緩反應，自動冷卻堆芯。
泰拉能源團隊聲稱，由於行波反應堆燃燒燃料更高效，它產生的廢物也更少。該公司表示，一座1200千兆瓦的反應堆，每千兆瓦年只產生500萬噸的廢物，而當今的反應堆每千兆瓦年會產生2100萬噸的廢物。如果這個數字準確的話，那麼該反應堆就可以透過大幅減少產生的廢物量來解決目前的儲存問題，這些廢物經過數千年仍然具有很高的放射性。進入核時代60多年來，只有芬蘭和瑞典在建立深度永久儲存庫方面取得了重大進展，但也要等到本世紀20年代才能建好。
泰拉能源公司計劃明年在中國破土動工建立試驗反應堆。如果一切順利，這座反應堆將在本世紀20年代中期投入使用。但是即使泰拉能源的反應堆取得了巨大的成功，公司也需要20年甚至更長的時間來部署大量的行波反應堆。因此，在接下來的幾十年裡，全球公用事業領域將別無選擇，只能依靠化石燃料和常規核反應堆來獲得可靠的全天候電力。
裂變可能不是最終的結果。再過幾十年，一般是30年之後，核聚變也許會最終獲得成功。隨著蓄電和其他技術使可再生能源變得更加可靠，社會將能夠更加依賴可再生能源。但一些分析人士堅持認為，在未來幾十年裡，核裂變的可靠性和零排放是擔負世界電氣化經濟快速增長重任的最佳選擇。
加州勞倫斯•利弗摩爾國家實驗室的前副主任簡•朗（Jane Long）說：“我認為不應該將幾十年後的解決方案作為永恆不變的方案，如果這一切由我做主，我會選擇一個全太陽能的長期計劃，因為我們擁有充足的陽光資源。但就近期而言，對於像核能這樣影響重大的技術，我們也不能概不考慮。”
隨著全球變暖，氣候越來越多變，關於核能的爭論將變得更加明朗化。朗說：“人們必須意識到我們有多需要它。”
作者：Michael Koziol
