萬年戰略資源！中國這項黑科技讓中科院驚嘆「太過先進，無法展示」……

6月10日，中科院重磅宣布，我國科學家首次提出一種新核能系統——加速器驅動先進核能系統（ADANES，簡稱ADS），並用計算機模擬了該技術的關鍵部分，有望使核裂變能成為可持續近萬年、安全、清潔的戰略能源。

事實上這已經是ADS技術的第二次刷屏。早在去年12月23日，中國核工業集團公司網站發布消息，我國核反應堆零功率裝置「啟明星II號」實現首次臨界。

對於大多數普通人來說，ADS是一個完全陌生，甚至是聞所未聞的技術。在這種技術面前，困擾人類的乏燃料處理問題，鈾資源短缺問題，未來能源問題，似乎都不再是問題，簡直神乎其技。但是ADS倒是是什麼技術，是如何實現對乏燃料的高效利用的，這種技術什麼時候能成熟，別急，庫叔為你一一解讀。

文 瞭望智庫特約能源觀察員 何方

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需要不斷添柴的火堆

ADS全稱是「（質子）加速器驅動次臨界（嬗變反應堆）系統」，顧名思義，該裝置是用質子加速器驅動的，自身處於次臨界狀態的，可以實現多種重核元素嬗變的反應堆系統。

還是不懂？不要緊，繼續往下看。

ADS本質上就是一個反應堆，也就是我們日常理解的核電站中那種靠核裂變反應釋放核能的反應堆。但是這種反應堆有個特點，即自身處於次臨界狀態。

什麼是次臨界？我們可以用火堆來打個比方。一個火堆，我們不管它，如果它越燒越旺，這就叫做超臨界，如果它一直處於不旺也不滅的穩定狀態，這就叫臨界，如果必須為它添柴，否則它就熄滅，這就叫做次臨界。

ADS的主要結構就是一台質子加速器和一座次臨界反應堆。

次臨界反應堆就是這種不加外部干預就會熄火的反應堆。我們知道，普通反應堆內靠中子維持裂變反應，中子就相當於維持反應堆燃燒的「柴」，普通反應堆的鏈式反應會持續不斷的產生中子，使得反應堆一直處於臨界狀態，源源不斷地輸出巨大的裂變能。而ADS中的次臨界反應堆不一樣，它雖然在裂變反應中產生中子，但是同時會產生大量的中子吸收物質，使得該反應堆不能靠自身的中子維持燃燒狀態，要維持「燃燒狀態」，就必須補充外源中子，如何補充外源中子呢？這就靠質子加速器了。

質子加速器是ADS的另外一大神器。次臨界反應堆堆芯中設有金屬中子靶，反應堆外部設有質子加速器，這就構成了一個「中子生成器」，源源不斷的向「燃燒著的」反應堆里填「柴」。質子加速器能將質子加速至高能狀態，然後導入反應堆，當高能質子轟擊金屬靶時，金屬靶的金屬原子核被擊碎，即發生散裂反應，此反應中，會生成大量的中子。質子加速器轟擊生成中子的效率極高，一個質子可以在金屬靶上生成約30個中子。這些中子在次臨界反應堆堆芯散開，就像給即將熄滅的火堆上澆上一桶汽油，反應堆瞬間如打了雞血運行起來，和普通反應堆一樣產生大量的裂變能發電。

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處理乏燃料的焚燒爐

有人可能會問，為什麼要發展這種特立獨行的反應堆呢？這就談到了ADS的最重要作用，處理乏燃料。

所謂乏燃料，就是普通反應堆「燃燒」核燃料後產生的廢棄物。乏燃料含有大量高放射性物質，這些物質主要上是錒系和鑭系的重核元素，這些元素不僅放射性強，而且半衰期也很長，需要存放十萬年這些元素才能衰變至對環境不產生影響。為了長時間存放這些高放射性乏燃料，必須建造壽命達十萬年之久的堅固掩體，這也就是俗稱的乏燃料地質深埋處置方式，這是一項技術難度極大，耗資也極其巨大的工程。

例如，芬蘭正在建造的乏燃料地質貯存場預計耗資達40億歐元以上，且僅僅夠貯存芬蘭的四座核電站的乏燃料。美國的尤卡山地質貯存場也耗資300億美元以上。面對世界上巨量的乏燃料，如果單靠地質處置，不僅技術困難，而且耗資將是一個天文數字，幾乎成為各國核電發展不可承受之重。

同時，所謂乏燃料，其實其中還有大量的有用元素，如鈈和鈾等，若直接廢棄，將是資源的極大浪費，所以普通反應堆產生的乏燃料依然是寶貴的資源。但是目前的後處理器技術，從乏燃料中提取鈈和鈾不僅風險高，效率低，而且還會產生大量的化學放射性廢液，這些廢液處理也是一個棘手問題。

如何讓乏燃料的放射性短時間內消失，同時又能高效利用乏燃料中的有用元素且不產生新的廢物呢？這就得靠ADS技術了。

ADS技術，正是為了解決以上問題而提出來的。ADS好比一個乏燃料焚燒爐，在外源中子的轟擊下，它能將幾乎所有錒系和鑭系重核元素作為裂變元素利用，這些元素裂變後生產的輕核元素，要麼是無放射的元素，要麼是半衰期很短的放射性元素。因此，經過ADS焚燒過的乏燃料，只需要貯存幾百年，其放射性即可降低至對環境不產生影響的程度，大大縮短了乏燃料的存放周期和處理難度。

同時，作為一個反應堆，ADS也同樣利用各種重核發生裂變反應的核能發電，實現了乏燃料中有用元素的高效利用。

相比目前乏燃料地質貯存需要建造壽命達10萬年的堅固掩體，有了ADS技術後，只需建造壽命幾百年的掩體存放在ADS焚燒後的乏燃料，掩體建造和技術難度和耗資都將有數量級的下降，使得乏燃料處理不再成為困擾人類的難題。

同時，由於ADS對乏燃料進行了充分的「焚燒」，使得乏燃料中幾乎所有的有用元素如鈈和鈾都得到了充分了利用，避免了稀有資源的浪費。如果將普通反應堆和ADS匹配建設，現有鈾資源的利用率可以從1%提高至95%以上，使得目前探明儲量的鈾資源，由現有技術只能利用百年提高到用ADS技術使用萬年的水平。這期間，人類有充分的時間研究聚變能，解決人類未來能源的終極問題。

作為反應堆，肯定有人會顧慮ADS反應堆的安全問題。因為ADS反應堆自身處於次臨界狀態，因此，一旦切斷外部中子供應，反應堆便無法啟動，所以ADS是比目前的商用反應堆更加安全的一種反應堆技術。

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中國ADS的彎道超車

ADS技術雖然是一項全新的、甚至是革命性的核能技術，但是它脫胎於人類已經擁有的技術，某種程度上，ADS技術如核磁共振一樣，是一項人類現有技術的組合創新結晶。

例如ADS的質子加速器技術早已有之，美國在強質子流方面有較多技術儲備，很早就致力於用該技術生產氚。而次臨界反應堆技術，各國的研究都是基於現有的快堆或熱中子堆（普通商用堆均是熱中子堆）。目前世界各國關於ADS的研究，大多是基於現有的技術開始研究。世界上，如歐盟，日本，美國，俄羅斯差不多同時在上世紀末開始了ADS技術研究。

但同時，ADS技術又是一項前沿技術，雖然原理簡單，但是在技術實現上面臨著很多難題。例如，大型質子加速器的製造，高性能中子靶的製造，次臨界反應堆的功率展平問題，反應堆的冷卻問題，材料問題，反應堆的燃料製造，這些都是ADS需要解決的關鍵技術問題。

我國ADS技術研究始於上世紀90年代中期，相對來說起步較晚。但是晚有晚的好處，這樣可以充分分析國際上在ADS上已經取得的成果和走過的彎路，更快的讓我國ADS技術走上正軌。

1996年至1999年間，我國開展了ADS研究概念研究和物理可行性研究，並在同一時期進行了「中能強流質子直線加速器」研究。隨後，我國又開展了為期五年的「ADS物理和技術基礎研究」。上述兩項研究相互銜接，都順利實現研究目標。

尤其是第二階段的研究中，ADS的零功率裝置「啟明星一號」於2005年7月在中國原子能科學院研究所研製成功，成為了國際原子能機構開展ADS試驗研究的基準裝置，這也標誌著我國ADS技術達到了國際先進水平。

2016年12月23日，中國核工業集團公司網站發布消息，我國核反應堆零功率裝置「啟明星二號」實現首次臨界。「啟明星二號」是我國自主研製的最先進的ADS系統，也是目前世界上最先進的ADS試驗裝置。

雖然「啟明星二號」的成功標誌著我國ADS研究已經處於世界先進水平，但是ADS畢竟是一個研究課題。「啟明星二號」依然只是一個試驗裝置，離真正實現ADS技術的工業規模應用依然有很長的路要走，而且「啟明星二號」也並非ADS技術的最優實現方案，而是在多年研究基礎上，最經典和最先實現的方案。關於ADS研究，還可能有更加優化的技術方案。

而最新的方案便是近日刷屏的「加速器驅動先進核能系統（ADANES）」，中科院並沒有給出這種方案的更多細節，但是從中科院介紹的「此技術方案已經通過了大規模的計算機模擬研究」，「完成了一系列實驗驗證」，「突破性進展」等信息，以及我國這些年來在ADS技術研究上穩步前進的現狀，我們可以肯定，我國不僅是目前ADS研究水平最高的國家，而且未來也將是最先實現ADS工業推廣的國家！

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