加速器驅動次臨界系統——先進核燃料循環的選擇
加速器驅動次臨界系統(ADS)的研發背景
1
1.1 核裂變能的快速發展
發展清潔能源是我國及全球能源可持續發展的戰略選擇。核裂變能是技術成熟的清潔能源，具有高效、低碳排放、安全可靠和可規模生產的突出優勢，是解決未來能源供應、保障經濟社會可持續發展的戰略選擇。我國在2007 年發布了《核電中長期發展規劃(2005—2020 年)》。後因日本福島核事故的影響，我國核電發展規劃做了相應的調整，但發展核能在中國經濟社會可持續發展中的戰略地位並沒有改變。根據調整後的核電發展規劃，到2020 年，核電在運行裝機容量可達58 GWe，在建核電機組的裝機容量為30 GWe。國際原子能機構(IAEA)2016 年4 月的統計數據顯示，目前全球在運行的核電機組444 座，總發電能力約386 GWe。我國在運行的核電機組33 座，總發電能力28.8 GWe，在建核電機組22 台。全球共有30 個國家擁有核電站，2014 年核電佔世界總發電量的11.5%，2015 年有19 個國家的核電份額在15%以上，中國的核電份額~3.0%。這些數據說明我國的核電事業還有著非常巨大的發展空間。
1.2 乏燃料與核廢料
要實現核裂變能的快速、可持續發展，在確保安全的前提下必須解決兩個重大問題：核燃料的穩定可靠供應和乏燃料(尤其是其中的長壽命高放射性核廢料)的安全處理和處置。後一個問題是我國乃至國際核能界無法迴避的重大問題，也是尚未解決的世界性難題。核燃料在反應堆中發生裂變核反應釋放出核能用於發電，並生成種類眾多的裂變產物；同時，核燃料中的重原子(238U等)因發生中子俘獲反應而生成超鈾核素，鈈(Pu)、鎿(Np)、鎇(Am)、鋦(Cm)等。核燃料使用到一定程度後就需卸出，成為乏燃料。乏燃料卸出後的最初30 至50 年內，其放射性毒性主要取決於裂變產物；100 年以後，隨著中、短壽命的核素逐漸衰變殆盡，乏燃料的放射性毒性主要來自鈈等超鈾核素和一些長壽命的裂變產物，需經過幾萬甚至幾十萬年的衰變，其放射性水平才能降到天然鈾礦的水平。由於大多數的超鈾核素的半衰期很長(從幾百年至數十萬年)，且大多具有α粒子放射性，這些核素被列入放射性毒性分組中的極毒組或高毒組，一旦進入人體，會對組織和器官造成嚴重的輻射危害。因此，乏燃料的安全處置一直是核能發展過程中要面對的一個嚴肅問題。
以一座百萬千瓦的輕水反應堆為例進行估算，每年卸出的乏燃料中包括可循環利用的235U和238U約23.75 噸，鈈約200 公斤，中短壽命的裂變產物約1 噸，次錒系核素(鎿、鎇、鋦等)約20公斤，長壽命裂變產物約30 公斤。隨著我國核電站裝機容量的快速增長，核廢料的累積量將快速增加。按2030 年非化石能源占我國一次能源消費的比例為20%估算，2030 年核電裝機容量將達到150—200 GWe，屆時乏燃料累積存量將達到2.35萬噸左右。乏燃料特別是其中的長壽命高放射性核廢料的安全處理處置將成為影響我國核電可持續發展的瓶頸問題之一。
1.3 核燃料的「分離—嬗變」循環策略
根據乏燃料和高放射性核廢料處理處置方式的差異，國際上主要有三種核燃料循環模式：一次通過的「開環」模式，鈾/鈈再利用(MOX燃料)的「閉式循環」模式，和「分離—嬗變」(partition—transmutation)閉式循環模式。
在「開環」模式中，乏燃料將直接作為高放射性核廢料進行地質深埋。這種模式相對費用較低，特別是未對其中的鈈進行分離，可防止核擴散。但由於需要在地質層中長期存放，其環境風險無法預期和有效控制。鈾/鈈再利用的「閉式循環」模式將乏燃料中的鈾和鈈分離出來，並製成混合氧化鈾鈈(MOX)燃料，剩下的高放射性核廢料經玻璃固化等工藝處理後進行最終的地質深埋。該循環模式可以明顯提高核燃料的利用效率，同時也將大幅減小高放射性核廢料的處置量。但由於次錒系核素和一些長壽命裂變核素的存在，核廢料的放射性毒性需要上萬年的時間才能衰變至天然鈾礦的水平。
更為先進的「分離—嬗變」閉式循環的概念是20 世紀90 年代提出的，其核心是在鈾/鈈再利用閉式循環的基礎上，進一步利用嬗變核反應將高放射性核廢料中的次錒系核素等長壽命核素轉化為中短壽命、低放射性核素或穩定核素。研究表明，長壽命高放射性核廢料的放射性水平經過嬗變處理後，可在300—700 年內降低到普通鈾礦的放射性水平，需地質深埋處理的核廢料體積(玻璃固化後)減少至開環模式的1/50 和鈾/鈈再利用閉式循環模式的1/10 左右。這種方案基本上可解決地質存儲的核廢料容器和地質條件存在的問題。次錒系核素的嬗變可在快中子反應堆和加速器驅動次臨界系統(Accelerator Driven Sub-critical Systems，簡稱ADS)中實現。對於快中子反應堆，由於核燃料中次錒系核素的加入，會減小有效緩發中子份額，導致小的多普勒效應以及大的正冷卻劑空泡係數，從而降低臨界反應堆的安全性。因此，快中子反應堆中次錒系核素的裝載量受到了很大的限制[1，2]。ADS 工作在次臨界模式下，其固有的安全特性可有效解決臨界反應堆由於次錒系核素裝載量過高導致的安全性問題，對於核燃料組分的要求也具有更多的靈活性。
加速器驅動次臨界系統(ADS)
2
2.1 ADS概念的形成
ADS 概念的形成最早可追溯至20 世紀40 年代。1941 年，美國化學家Gleen T. Seaborg 第一個利用加速器人工合成了幾微克的鈈，發現了超鈾元素鈈的存在[3， 4]。基於Gleen T. Seaborg 的研究發現，美國科學家E.O. Lawrence 啟動了材料試驗加速器(Material Test Accelerator， MTA(1950—1954 年))研究計劃，其目的是利用加速器增殖技術生產用於核武器製造的鈈-239。與此同時，加拿大科學家W.B. Lewis 認識到加速器增殖技術在核能的開發利用中的潛在價值，於1952 年啟動了利用加速器技術使自然界中的釷核素生成233U，用於CANDU重水反應堆發電的研究計劃。這些研究計劃很快就終止了，其主要原因是大量的、高品質的鈾礦在美國等國家不斷被發現，使得利用加速器增殖技術生成易裂變核素這一途徑不具有現實的經濟可行性。1960 年，Lawrence 等人註冊了一個用於核素生產的加速器的專利，該加速器裝置使用天然的鈾和釷為靶材料人工合成239Pu和233U。在20 世紀60 年代，我國的核科學家也曾詳細探討了加速器增殖技術，其重點是如何能生成我國比較緊缺的239Pu。經研究發現，要實現這一目的，要求加速器的流強至少是100 mA，而當時的加速器性能與技術離這一要求還相差太遠。該項研究計劃於1971 年被終止[5]。在早期，核科學家還曾嘗試探索直接利用加速器技術產生的散裂反應去嬗變次錒系核素和長壽命的裂變產物，但很快就放棄了。研究顯示，通過散裂反應直接進行核廢料嬗變所要求的質子束流強度約為300 mA，這遠大於一台加速器在設計上所能實現的最大理論值[4]。
具有現代意義的、旨在探索先進核能系統、提高核安全和解決核廢料安全處置的ADS的概念最早是由Brookhaven 國家實驗室H.Takahashi 和G.VanTuyle 領導的研究團隊在80 年代的後期發展起來的。1991 年，Los Alamos 國家實驗室的C. Bowman 第一個給出了嬗變裝置的詳細設計方案，該方案利用來自加速器的高能質子束流產生散裂中子去驅動次臨界、熱中子反應堆，目的是實現核廢料嬗變與核能發電。此外，Brookhaven國家實驗室的H.Takahashi 提出了基於快中子次臨界包層的設計方案，其主要目的是焚燒次錒系核素。1993 年，Carlo Rubbia 和他領導的工作團隊提出了「能量放大器」的概念。這是一個基於鈾—釷循環的次臨界核能系統，通過一個強流質子加速器產生的外中子源驅動進行核能發電，同時大大減少次錒系核素和長壽命裂變產物的量。隨後開展了一系列實驗研究，驗證了加速器驅動次臨界系統的原理與可行性[6，7]。
2.2 ADS的構成與原理
ADS系統由強流質子加速器、重金屬散裂靶和次臨界反應堆三大分系統組成(圖1)，它集成了20 世紀核科學技術發展的兩大工程技術——加速器和反應堆技術。其基本原理是，利用加速器產生的高能強流質子束轟擊重核產生寬能譜、高通量散裂中子作為外源來驅動次臨界堆芯中的裂變材料發生鏈式反應。散裂中子和裂變產生的中子除維持反應堆功率水平所需以及各種吸收與泄露外，餘下的中子可用於核廢料的嬗變或核燃料的增殖。次錒系核素與快中子發生裂變核反應，生成半衰期較短和毒性較小的裂變產物；長壽命裂變產物的嬗變主要通過熱中子俘獲、衰變等核反應過程生成短壽命或穩定的核素。如99Tc 俘獲一個中子後生成半衰期為15.8 s的100Tc，再經過β衰變後變成穩定核素100Ru；129I 中子俘獲生成半衰期為12.4小時的130I，最終經過β衰變至穩定核素130Xe。
圖1 ADS原理示意圖
強流質子加速器是ADS系統的驅動器，其作用是用來產生高能、強流、大功率質子束流，通過質子束流轟擊散裂靶產生高通量中子來維持次臨界堆內的鏈式反應。可供選擇的質子加速器有回旋加速器和直線加速器兩種。回旋加速器利用粒子在恆定磁場中迴旋頻率相同的原理設計而成，粒子的能量越高，所需要的迴轉半徑越大，約束磁場越強。一般來說，這種加速器的質子束流能量的上限是1 GeV；而因受到中心區空間電荷效應、橫縱向弱聚焦、注入引出束損限制等條件的制約，這類加速器的流強很難達到10 mA。直線加速器的加速原理是讓帶電粒子在一條直線上連續通過多個高頻加速間隙進行加速。只要有足夠長的加速空間，其能量不會受到相對論效應或者機器尺寸的限制。理論上直線加速器可以加速幾百毫安的強流質子，比人們所公認的回旋加速器的極限流強高至少一個量級，更適用於ADS的需求。目前採用超導技術的直線加速器技術已獲得成功，束流損耗大大降低，提高了能量的傳遞效率，是ADS系統加速器技術的優選方案。
散裂靶是加速器和次臨界堆的耦合環節，其散裂中子產額的大小決定次臨界反應堆芯的能量放大係數和核廢料的嬗變效率，同時中子能譜在靶表面的分布決定次臨界反應堆的運行特性。根據反應機制的不同，高能質子與靶核的散裂反應可分為核內級聯(intra-nuclear cascade)、退激和裂變等幾個階段。核內級聯是一個直接的快速反應階段(~10-22s)，高能質子或其他輕質量入射粒子與靶核中的單個核子發生反應，通過與核子間的彈性碰撞和核子—核子的級聯碰撞，將動能傳遞給靶核。當入射粒子的能量達到幾百MeV時會發射出介子，質子能量達到GeV 量級時可發射質子、中子等粒子，發射出的粒子主要沿著束流方向分布。剩餘的能量將被分配給靶核內各個核子，使新生成的原子核處於高能激發態。在原子核達到平衡態退激(equilibrium decay)階段之前，會發射出中子或散裂碎片等粒子，稱為預平衡態發射(pre-equilibrium emission)。當原子核最終達到平衡態時(~10-16s)，能量被核子均勻分配，主要通過中子或輕帶電粒子(氘、α粒子等)的蒸發來釋放能量，出射粒子為各向同性分布。當原子核的激發能降低至核子的結合能(~8 MeV)以下時，將通過發射γ 射線繼續退激。除了粒子蒸發退激外，原子核也會發生裂變反應，這是兩個相互競爭的反應機制。當裂變生成的裂變產物帶有足夠高的激發能時，也會發生粒子蒸發的退激過程。為了保證在高能質子轟擊下散裂靶能夠穩定產生整個ADS系統在次臨界條件下持續工作所需的中子通量和空間分布，選擇易發生散裂反應的重金屬如鉛、鉛鉍合金(LBE)和鎢為靶材料。一般來說，ADS散裂靶的設計要滿足以下條件：(1)中子產額應盡量高；(2)能承受高的束流功率；(3)可持續運行較長時間且易於更換和維護。
ADS系統的堆芯是一個次臨界、快中子反應堆。當中子能量較低時，次錒系核素的中子俘獲截面遠大於裂變反應截面，不利於次錒系核素的嬗變，因而快中子堆芯更有利於核廢料的嬗變。ADS系統選用次臨界堆芯主要是出於反應堆的安全控制和次錒系核素裝載量靈活性的考慮。反應堆中核燃料裂變產生的中子分為瞬發中子和緩發中子兩類。緩發中子是由部分裂變產物衰變產生的， 雖然緩發中子佔總產生中子的份額不足1%，但它對於臨界反應堆的安全控制卻起著至關重要的作用。若只有瞬發中子，當引入一個很小的正反應性時，反應堆的功率會在很短的時間內急劇增加而變得難以控制。由於緩發中子的存在，大大增加了每一代中子的平均壽命，從而有效滯緩反應堆功率的變化速度，實現對反應堆的安全控制。對於快中子臨界反應堆，一般要求緩發中子的份額在0.4%—0.5%之間，這大大限制了核燃料中次錒系核素的裝載量(2%—5%)。而對於次臨界反應堆，則不受緩發中子份額的限制，次錒系核素的裝載量高達40%—50%，甚至更高[8]。同時，由於ADS系統運行在次臨界模式下，相對於臨界反應堆具有更高的固有安全性。
2.3 ADS的技術挑戰
目前世界上尚無建成ADS集成系統的先例，這在一定程度上阻礙了ADS技術的深入研究，特別是系統集成及核廢料嬗變的實驗驗證等方面的研究。對於一個工業級的加速器驅動嬗變裝置，要求加速器提供能量在800 MeV以上連續波質子束流，束流功率在10 MW以上。這相當於目前世界上質子加速器所能產生最大束流功率的十倍左右。為保證散裂靶和次臨界堆的結構安全，還要求加速器必須具有高可靠性，即加速器在長時間間隔內的失束次數必須控制在非常低的水平，這遠超出了目前加速器所能達到的水平。此外，連續波運行模式及低束流損失等要求對於大功率運行的加速器來說都是一個非常大的挑戰。在散裂靶方面，未來工業ADS嬗變裝置需要耦合束流功率為數十兆瓦量級的散裂靶，空間功率密度可以達到反應堆的數十倍以上，熱移除等問題是制約高功率散裂靶研發的核心因素。其次還需要有效地解決靶與加速器和反應堆的耦合問題，以及可工作在極端條件(高溫、強輻照、腐蝕等)下的結構材料問題。ADS次臨界反應堆系統面臨的主要問題為散裂中子源帶來的堆芯內功率分布不均勻，新型冷卻劑的熱工及材料相容性，加速器失束時對反應堆的熱衝擊，長時間強中子輻照等極端環境下的燃料元件及材料問題等。同時還要解決ADS的核燃料所涉及的乏燃料的鈾、鈈分離，次錒系核素的分離以及新型燃料組件的製備等難題。
ADS的發展現狀及趨勢
3
3.1 國外的發展現狀及趨勢
目前國際上關於ADS的學術交流、研討會及科技合作日益活躍與頻繁，歐盟各國以及美、日、俄等核能科技發達國家均制定了ADS中長期發展路線圖，正處在從關鍵技術攻關逐步轉入建設系統集成的ADS原理驗證裝置階段。
歐盟聯合了40 多家大學和研究所等機構，充分利用現有核設施合作開展實驗研究。在歐盟F6和F7 框架下支持了多個研究計劃的開展，如MUSE 計劃開展ADS 中子學研究；MEGAPIE 計劃開展MW級液態Pb—Bi 冷卻的散裂靶研究；MYRRHA計劃期望在2023 年左右建成由加速器驅動的鉛鉍合金(Pb—Bi)冷卻的快中子次臨界系統，其主要設計指標為功率85 MWth 的反應堆，600 MeV/4 mA的強流加速器，鉛鉍合金作為靶和冷卻劑；MAX計劃的目的是為MYRRHA的加速器裝置的最終設計方案提供第一手的實驗與模擬數據；FRERA 計劃主要專註於ADS 系統在線反應性監測方法的實驗驗證。
美國1999 年制訂了加速器嬗變核廢料的ATW計劃，從2001 年開始實施先進加速器技術應用的AAA 計劃，全面開展ADS 相關的研究。當前勞斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)又提出SMART 計劃，研究核廢料的嬗變方案。美國DOE/NNSA機構計劃在烏克蘭聯合建造一個百千瓦級功率的ADS集成裝置，但由於戰爭等原因，此計劃仍在延遲中。費米國家實驗室正在計劃建造的Project-X 是一台多用途的高能強流質子加速器，除用於高能物理研究外，也打算將ADS的應用納入其中。
日本從1988 年啟動了最終處置核廢料的OMEGA計劃，後期集中於ADS開發研究。由日本原子力研究機構(JAEA)和高能加速器研究機構(KEK) 聯合建造的日本強流質子加速器裝置(J-PARC)，計劃在未來升級工程中將直線加速器能量提高到600 MeV，用於開展ADS的實驗研究。
俄羅斯於20 世紀90 年代開展ADS 研發工作，內容涉及ADS相關核參數的實驗；理論研究與計算機軟體開發；ADS實驗模擬試驗裝置的優化設計；1 GeV/30 mA 質子直線加速器的發展；先進核燃料循環的理論與實驗研究等。俄羅斯還比較重視ADS的新概念研究，典型的有快—熱耦合固體燃料ADS次臨界裝置概念設計和快—熱熔鹽次臨界裝置概念設計等。另外，韓國和印度等國也都制定了ADS研究計劃。
3.2 我國ADS研究現狀及發展路線
我國從20 世紀90 年代起開展ADS 概念研究。1995 年在中國核工業總公司的支持下成立了ADS概念研究組，開展以ADS系統物理可行性和次臨界堆芯物理特性為重點的研究工作。戴光曦最早於1996 年分別在《科技導報》和《核物理動態》發表文章，介紹了加速器驅動的核電站的概念，闡述了這一新型核能系統在核廢料安全處置和運行安全性方面的潛在優勢[9，10]。中國科學院院士丁大釗、何祚庥和方守賢等科學家發表了多篇科技文章，積極推動了我國ADS技術的研究[5，11，12]。
1999 年起實施的重點基礎研究發展計劃項目「加速器驅動的潔凈核能系統(ADS)的物理和技術基礎研究」，在強流ECR離子源、ADS專用中子和質子微觀數據評價庫、次臨界反應堆物理和技術等方面的探索性研究中取得一系列成果，建立了快—熱耦合的ADS次臨界實驗平台——「啟明星一號」。與此同時，中國科學院還重點支持了超導加速器技術研發，並結合相關研究所的優勢，部署了重大項目「ADS 前期研究」。這些研究工作為今後進行ADS的研發、物理驗證和工業示範打下了堅實的物理技術基礎。
經過2009—2010 年全面深入的醞釀和凝練，中國科學院根據我國核能可持續發展的重大需求與已有研發布局，結合國際發展態勢，從技術可行性出發，提出了我國ADS 發展路線圖，如圖2所示。
圖2 中國ADS發展路線圖
從圖2 可以看出，中國ADS 發展可以分為三個階段。第一階段為原理驗證階段，即建立加速器驅動嬗變研究裝置。該階段要解決ADS 系統單元關鍵技術問題，確定技術路線，實現小系統集成，從整機集成的層面上掌握ADS 各項重大關鍵技術及系統集成與ADS調試經驗，為下一步建設ADS示範裝置奠定基礎。第二階段為技術驗證階段，即要建立加速器驅動嬗變示範裝置。加速器、散裂靶和次臨界反應堆的系統指標提升，建成~1 GeV@10 mA/CW連續束模式加速器驅動~0.5 GWth的次臨界堆系統，系統可靠性提升，可用性>75%，達工業級要求。實現工程技術驗證的核心是要解決可靠性、燃料和材料問題，確定工業推廣裝置的燃料和材料選擇。第三階段為工業推廣階段，該階段以企業為主導，將加速器驅動嬗變系統放大至約GWth量級，實現運行可靠性和系統經濟性的驗證，進行工業應用。
2011 年1 月，中國科學院適時啟動了ADS先導專項，由近代物理研究所、高能物理研究所、合肥物質科學研究院承擔，並聯合院內外其他相關研究單位共同開展ADS第一階段的原理驗證研究，著力解決ADS 系統中的各單項關鍵技術問題，根據示範裝置的需求開展前瞻性研究工作，發展ADS研究所需的平台基礎。在先導專項的基礎上，利用「十二五」國家重大科技基礎設施「加速器驅動嬗變研究裝置」(China Initiative Accelerator Driven System，簡稱CIADS)建設項目的支持，從整機集成的層面上掌握ADS各項重大關鍵技術及系統集成與ADS調試經驗，為下一步建設ADS示範裝置奠定基礎。
ADS先導專項研發進展
4
4.1 ADS單項技術突破
ADS超導質子直線加速器系統的各單項技術已實現突破，開始向系統集成研究階段轉換。在單項技術突破方面，成功研製了高穩定度的強流質子源； 162.5 MHz@2.1 MeV ADS 射頻四極加速器是國際上第二個超過10 mA的連續波質子束射頻四極加速器，也是目前國際上穩定運行的連續波離子束射頻四極加速器中束流強度最高的；325 MHz @3.2 MeV ADS 射頻四極加速器束流平均功率位於世界最高；研製的Spoke 超導腔的測試性能指標達到了國際先進水平。在系統集成方面，實現了7 個超導腔穩定加速能量為6.05 MeV、流強為10.4 mA的脈衝質子束，是國際上首台由多個Spoke 超導腔構成的低能量段加速裝置；實現連續波模式運行，束流強度達到3.9 mA，最長運行記錄為7.5 小時，標誌著我國在ADS系統研究領域的創新研發能力達到國際領先水平。
創造性地提出了新型流態固體顆粒靶概念並完成初步設計。該方案融合了固態靶和液態靶的優點，通過固體小球的流動實現了靶區外的冷卻，規避了液態鉛鉍合金靶放射產物毒害性高、溫度—材料腐蝕效應嚴重以及固態靶熱移除難等缺點，物理上具有承受幾十兆瓦束流功率的可行性。基於顆粒流靶的各項技術驗證及台架實驗現已全面啟動。在ADS次臨界反應堆的研究中，已初步完成鉛鉍堆芯的總體設計，全面啟動了初步工程設計。在反應堆先進二迴路設計方面，獲得了主換熱器、回熱器優化設計方案並加工完成實驗樣機，建成了LBE-He換熱綜合實驗平台。
在材料研究方面，自主配方、自主研製的SIMP 鋼是一種新型抗輻射、抗腐蝕的低活化耐熱合金結構材料，其性能指標均優於或不亞於目前國際主流核能裝置用抗輻照結構材料，有望成為一種新的核能裝置候選結構材料。目前已實現5 噸級工業規模製備；同時開展了SiC 複合纖維材料研發，完成碳化硅纖維紡絲和不熔化裝置設計、加工和組裝。在核燃料製備方面，完成了鈾納米材料的製備和系列錒系有機化合物晶體的合成。
4.2 「加速器驅動嬗變研究裝置」項目正式立項
2015 年12 月，國家發改委正式批准「加速器驅動嬗變研究裝置」(China Initiative AcceleratorDriven System，簡稱CIADS)的立項。CIADS 是國家「十二五」期間優先安排建設的16 個重大科技基礎設施之一。其主要設計指標為：強流質子加速器質子束流能量250 MeV、束流強度10 mA，實現連續波(CW)工作模式，並具備可升級到更高能量的能力；高功率顆粒流散裂靶最大可承載質子束流功率2.5 MW，具備與加速器和次臨界堆耦合工作的能力；液態鉛鉍次臨界堆在加速器中子源驅動下的最大熱功率可達10 MW(含質子束流功率2.5 MW)，並留有實驗孔道開展嬗變等相關實驗研究。CIADS建成後將成為世界上首個兆瓦級加速器驅動次臨界系統研究裝置。目前，CIADS項目建設地點已確定為廣東省惠州市惠東縣東南沿海，中國科學院已同廣東省人民政府簽署協議，並成立院省領導小組，共同推進項目建設。
4.3 加速器驅動先進核能系統(ADANES)新概念的形成
隨著ADS先導專項研究的推進和各項突破性科研成果的取得，對於ADS系統在核燃料增殖和產能方面的巨大潛力的認識和理解也愈加深入。進而，ADS研究團隊對ADS發展路線進行了認真而又審慎的再思考，在一系列原理模擬驗證和技術路線深入調研的基礎上，科研人員勇於突破原有的發展思路，創造性地提出了「加速器驅動先進核能系統(Aaccelerator Driven Advanced NuclearEnergy System，ADANES)」的全新概念和研究方案。
ADANES 系統主要包括兩大核心部分( 圖3)：一是ADANES燃燒器，即ADS系統，利用加速器產生的高能離子轟擊散裂靶產生高通量、硬能譜中子驅動次臨界堆芯運行； 二是面向ADANES燃燒器的乏燃料再生循環系統(AcceleratorDriven Recycle of Used Fuel，ADRUF)，主要包括乏燃料後處理和嬗變元件的製造，變「分離—嬗變」為排除部分裂變產物(中子毒物)。相對於現有的「分離—嬗變」的流程，極大地簡化了工藝，不需要將鈾、鈈和錒系等放射性核素逐一分離後再製成嬗變元件，從而免除了核擴散的風險。通過高溫揮發法，經多次的高溫氧化還原流程， 可以從乏燃料中除去揮發性裂變產物(I，Xe，Kr 等)和一些半揮發性核素或其氧化物(Cs，Te，Mo等)。排除部分裂變產物的乏燃料，再採用無水提取法分離出裂變產物中的Gd，Nd，Sm等中子吸收截面較大的稀土元素，最後製成可用於ADS系統的再生核燃料元件。ADANES是集核廢料的嬗變、核燃料的增殖、核能發電於一體的先進核燃料閉式循環技術，在減小次錒系核素含量的同時進行燃料的增殖。在ADANES系統的流程中不產生多餘的放射性廢物，並可在核廢料嬗變的同時進行核能發電，可將鈾資源利用率由當前不到1%提高到約95%，處理後核廢料量不到乏燃料量的4%，放射性壽命也由數十萬年縮短到約500 年，使裂變核能成為可持續數千年並且安全、清潔的戰略能源。目前，ADANES相關研究及項目推進工作正有序展開。
圖3 ADANES基本結構示意圖
ADS未來展望
5
ADS系統是為解決核裂變能可持續發展所面臨的核廢料安全處理處置而提出來的，ADS 系統除在核廢料嬗變方面有獨特的優勢，其在增殖和產能方面也有巨大的潛力。在中國科學院先導專項實施的基礎上，進而提出了ADANES的全新概念和方案，並基本完成了原理的模擬試驗驗證。ADANES 將充分發揮ADS 系統增殖和產能的潛力，提高核能資源的利用效率，使基於鈾資源的核裂變能成為可持續數千年的低碳排放、安全可靠、高性價比、防核擴散的戰略能源，應成為我國ADS 研究的未來發展方向。如果得到國家及時和穩定的支持，有望在2022 年左右基本完成乏燃料循環利用驗證以及ADS 燃燒器原理樣機(10 MWth)等階段性工作，引領國際核裂變能的創新發展，並在2030 年左右實現工業級示範。
參考文獻
[1]Wakabayashi T et al. Nuclear Technology，1997，118：14
[2] IAEA. Implications of Partitioning and Transmutation in Radioactive WasteManagement，IAEA-TECDOC-435，2004
[3] Kadi Y，Revol J P. Design of an Accelerator-driven System forthe Destruction of NuclearWaste. LNS0212002，2001
[4] Stanculescu A. Accelerator Driven Systems (ADS) and Transmutationof NuclearWaste：Options and Trends. LNS015022，2000
[5] 何祚庥. 世界科技研究與發展，1996，6：1
[6] Andriamonje S et al. Physics Letters B，1994，348：697
[7] Arnould H et al. Physics Letters B，1999，458：167
[8] Abderrahim H A et al. WIREs Energy and Environment，2014，3(1)：60
[9] 戴光曦. 科技導報，1996，8：38
[10] 戴光曦. 核物理動態，1996，13(4)：53
[11] 丁大釗，方守賢，何祚庥. 中國科學院院刊，1997，(2)：116
[12] 趙志祥，丁大釗. 物理，1997，26(4)：221
本文選自《物理》2016年第9期
※「天宮二號」科普（五）：太空中測量海平面？
※多少我們熟知的公式其表述是不恰當的
※物理學家為什麼應當學點歷史
※物理學咬文嚼字之五十九：波也否，粒也否
TAG:中國物理學會期刊網 |
※「技術＋政策」雙輪驅動，加速服務機器人發展進程
※【汽車】政策加市場雙驅動：新能源汽車將進入發展快車道
※市場風格切換！三季度國企改革＋題材驅動模式開啟！
※LED驅動設計：驅動方式、器件選型、紋波抑制
※無需外部驅動的「機器人」 根據濕度變化運動
※蝴蝶進化論 節氣門的驅動形式進化論
※運輸需求持續增長，前沿科技驅動物流自動化發展
※現代意義上的機槍是利用槍彈發射葯燃氣膨脹作為動力或者其他外部驅動力量驅動
※為變更強 邁凱倫或將突破傳統開發全輪驅動車型
※本田"前驅王"究極進化：四輪全驅動力爆棚
※病毒是人類進化的主要驅動力
※重量輕造價低！3D列印發動機驅動火箭進入太空
※「登炮組合」，雙核驅動火箭升空
※惠普發布外置GPU加速器 可提供外部硬碟驅動器插槽
※技術驅動市場 談傑和四路伺服器的標杆意義
※片仔癀動態點評：「加量加價」驅動業績快速增長
※靠磁場驅動的微型機器人軍隊， 構建複雜結構之餘還能捕捉酵母細胞
※實施創新驅動戰略 推動企業轉型升級
※研究者提出四旋翼飛行和驅動系統，為研發飛行汽車提供新方向