作者:陆琦 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/2/21 17:49:11
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ADS:为核废料处理处置提前布局谋篇
 

启明星I号.JPG

启明星Ⅱ号

Ⅱ号

“太过先进,无法展示”?!近日,微信上一篇关于加速器驱动次临界系统(ADS)的文章引发热议。ADS是个什么鬼?到底有多先进,以至于无法展示?这项核能新技术靠谱吗?《中国科学报》记者带着这些问题采访了从事ADS研究的有关专家。

最具潜力的核废料嬗变装置

“因为这个新兴研究方向还不为人所知,才会弄出‘太过先进,无法展示’的争议话题。”中核集团中国原子能科学研究院研究员史永谦迫不及待地给记者做起科普:ADS是一种新型的核能利用装置,它集成了20世纪核科学技术发展的两大工程技术——加速器和反应堆技术。

ADS装置由强流质子加速器、重金属散裂靶和次临界反应堆三大分系统组成,其原理是利用加速器产生的高能质子轰击重金属靶,产生散裂中子,作为外中子源以驱动次临界反应堆,与次临界反应堆内的核材料发生核反应,维持次临界反应堆的稳定运行。

史永谦告诉记者,目前国际上重点是利用ADS嬗变的作用。

核燃料使用到一定程度后就需卸出,成为乏燃料。乏燃料的安全处理和处置,是我国乃至国际核能界无法回避的重大问题,也是尚未解决的世界性难题。

中科院合肥物质研究院研究员吴宜灿在《Engineering》上撰文指出,由于ADS具有中子能谱硬、通量高、能量分布范围广,次锕系核素嬗变和长寿命裂变产物能力强的特点,利用它对核废料进行嬗变处理,可大幅降低核废料的放射性危害,实现核废料的最小化处置,同时可实现能量放大,提高核资源的利用率。

“ADS的次临界反应堆还可以发电,等于将核废料变成了可以用于发电的核燃料,且发电后产生的废料可以相对安全的处理。”史永谦说。

按2030年非化石能源占我国一次能源消费的比例为20%估算,2030年核电装机容量将达到150-200百万千瓦,届时乏燃料累积存量将达到2.35万吨左右。乏燃料特别是其中的长寿命高放射性核废料的安全处理处置,将成为影响我国核电可持续发展的瓶颈问题之一。

原子能院研究员朱庆福表示,作为国际上公认的最具潜力的核废料嬗变装置,ADS在我国核能大规模可持续发展的闭式燃料循环战略中将发挥重要作用。

探索先进核能系统的战略性举措

ADS的概念最早是在意大利科学家Carlo Rubbia上世纪90年代初提出的“能量放大器”的基础上发展起来的。“能量放大器”的概念一经提出,就受到国际核能界的极大关注,核能国家都进行了研究。

“我国起步并不晚。”史永谦从上世纪90年代起参与ADS研究。他回忆说,当时中科院院士丁大钊、何祚庥和方守贤等科学家认为“这是很有前途的一个方向,可以发展,应积极推动我国ADS研究”。后在香山会议上,时任中国工程院副院长师昌绪提出,“ADS技术没有不可逾越的困难,建议申请‘973’”。

于是,1997年起由原子能院牵头实施了两期关于ADS基础研究的“973”项目,在强流ECR离子源、ADS专用中子和质子微观数据评价库、次临界反应堆物理和技术等方面的探索性研究中取得一系列成果。2005年7月成功建成“启明星I号”,并成为国际原子能机构开展ADS试验研究的基准装置。

与此同时,中科院重点支持了超导加速器技术研发,并结合相关研究所的优势,部署了重大项目“ADS 前期研究”。

“起初许多人并不看好ADS,但随着研究的推进,大家觉得这个方向还是很有前途的。”史永谦说。

2011年,中科院根据我国核能可持续发展的重大需求与已有研发布局,结合国际发展态势,从技术可行性出发,提出了我国ADS发展路线图:第一阶段为原理验证阶段,即建立加速器驱动嬗变研究装置;第二阶段为技术验证阶段,即要建立加速器驱动嬗变示范装置;第三阶段为工业推广阶段。

同年,中科院启动战略性先导专项“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”,旨在通过3个阶段的研发,自主发展ADS从试验装置到示范装置的全部核心技术和系统集成技术。

中科院院士詹文龙表示,我国长期持续开展ADS研究,是在国际核能发展大局下,作为负责任的发展中大国,对核废料处理处置提前布局谋篇的战略性举措。

2015年12月,国家发改委正式批准“加速器驱动嬗变研究装置”(CIADS)立项,项目建成后将成为世界上首个兆瓦级加速器驱动次临界系统研究装置。

难度堪比“两弹一星”

纵观全球,欧盟各国以及美、日、俄等核能科技发达国家均有对ADS的长中期发展计划,正处在从关键技术攻关逐步转入建设系统集成的ADS原理验证装置阶段。

“从技术发展阶段来看,中国的ADS发展处在第二阶段,与世界先进ADS研发国处于同一发展阶段。”朱庆福说。

去年年底,我国首座铅基反应堆零功率装置“启明星Ⅱ号”的成功建成就是第二阶段的重要成果。“启明星Ⅱ号”创新地采用了水堆和铅堆“双堆芯”的结构,以不同富集度的固体铀棒栅作为核燃料,以水或铅为介质的多功能反应堆物理综合实验研究平台。

“所谓零功率反应堆,指的是运行功率一般只在千分之一瓦到几十瓦之间的研究试验反应堆。”原子能院反应堆物理研究室理论组组长周琦解释说,“它的主要用途是获取新的知识,就像航空工程中的风洞。任何一种新堆型的物理设计,都需要在零功率堆上进行研究和优化。”

在很多专业人士看来,ADS的难度堪比“两弹一星”,没有任何的经验可学习借鉴。“反应堆和加速器都是很大的工程,两个联系到一起涉及到很多新的问题。”原子能院高级工程师张巍坦言。

中国是世界上首个开展ADS系统大工程项目研制的国家。目前国际上尚未有ADS嬗变系统工程化应用的先例,“启明星Ⅱ号”将为ADS嬗变系统工程化研究提供关键实验数据。

“启明星Ⅱ号”首次实现临界后,研究团队立即针对ADS特有的重金属散裂靶与次临界反应堆的耦合特性以及靶和缓冲区对反应堆的影响等重要课题,在两个堆芯上分别进行系统性的验证实验研究。因为他们相信:“虽然离工程化应用还很远,但不能说ADS技术没有用、不可行。”

 

 
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