作者:陆琦 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/4/3 14:24:51
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国际首台加速器驱动次临界系统(ADS)嬗变研究装置将开建
未来先进核能“跃然纸上”

 

又一项大科学工程要在广东开建了。

3月24日,“十二五”国家重大科技基础设施“加速器驱动嬗变研究装置(CIADS)”项目的初步设计方案通过评审。“如果进展顺利,今年年中将在广东惠州动工。”中科院院士詹文龙告诉《中国科学报》记者,建成后它将成为国际首台加速器驱动次临界系统(ADS)嬗变研究装置。

从原理到工业化的三步走路线图

我国的ADS研究可以追溯到上世纪90年代。1999年,“973”项目“加速器驱动的洁净核能系统的物理和技术基础研究”启动实施。与此同时,中科院重点支持了超导加速器的技术和抗辐射材料的研发,结合院内相关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,但随着研究的推进,大家觉得这个方向还是很有前途的。”较早参与ADS研究的中国原子能科学研究院研究员史永谦说。

ADS实际上是加速器和反应堆的“结合体”。中科院近代物理研究所研究员杨磊告诉《中国科学报》记者,ADS可嬗变危害环境的长寿命核废物为短寿命的核废物,以降低放射性废物的储量及其毒性;ADS具有潜力,在产能过程中产生很少量的核废物。

随着乏燃料的安全处理处置问题日渐凸显,ADS作为最具潜力的核废料嬗变方案,正越来越受到国际核能界的重视。

不过,目前世界上还没有建成的ADS装置。

2011年,中科院提出了我国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。

核燃料利用率从1%提高到95%

6年多来,ADS专项高质量地完成了各项研究任务,取得了一批阶段性重大进展。

“其中有两项工作做得很出彩。”詹文龙介绍说,“一是突破强流超导质子直线加速器关键技术,成功研制了国际上第一台ADS超导质子直线加速器前端示范样机;二是在国际上首次提出了颗粒流中子靶的概念,建成国际首台颗粒流散裂靶冷态原理样机。”

尽管项目刚起步那会儿,中国还只是跟在几个发达国家的后面,但到2017年底项目结题的时候,我们的关键技术一下子走到了国际前沿。不光国际同行觉得不可思议,连ADS专项首席科学家詹文龙都没想到会做得这么快、这么好。

他认为,中科院建制化的研究所体系结构和齐全的学科研究布局,使其在组织协调和综合创新方面具有极强的能力。

更有意义的是,随着研究不断深入,詹文龙带领团队对核裂变能的可持续发展进行了再思考。

他们认识到,传统ADS方案在经济性上缺乏竞争力且技术挑战巨大,因此原创性地提出了“加速器驱动先进核能系统(ADANES)”这一全新概念。

ADANES是集核废料的嬗变、核燃料的增殖以及核能发电于一体、具有固有防核扩散特性的先进核燃料闭式循环技术,可将铀资源利用率由目前的不到1%提高到超过95%,处理后核废料量不到乏燃料的4%,放射寿命由数十万年缩短到约500年,这将是一种清洁的核能。

“不光做嬗变,把毒物减少,同时提高核资源的利用率,使燃料增殖,过程中还能正常发电。”詹文龙表示,目前已完成了一系列实验室模拟原理验证实验并取得了突破性进展,今年还要把整个概念设计做得更实。

从开始研究就考虑技术经济性

如果把技术成熟过程划分为9个级别,那么,在詹文龙看来,他们现在也就做到三四级的水平。“实验室研究形成的系统技术,最终要通过向核能系统转移来实现商业化应用和推广。而后面只要增加一级,费用就会非常高。”

考虑技术的经济性、稳定性、可靠性,的确做起来会更难。但詹文龙很清楚,真正有用的东西,一开始研究就要考虑最后市场是否能够接受。科研要做到“顶天立地”,没有经济性,最后做完只能是摆摆样子。

于是,自项目开始之初,众多想法中原理上跨度大和经济性差的方案被不断排除。杨磊带领团队建立了一套超算模拟设计系统,并结合物理验证,像滤网一样对众多方案进行细化研究。伴随着研究的不断推进,这套系统也在一步步完善,未来随着技术的不断成熟,有望慢慢转换为自主知识产权的可靠设计系统。

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。这个大科学工程得到了国家、地方、企业和中科院的多方支持,预计到2023年能够完成初步装置建设,到2030-2032年可以做出ADANES示范装置,往产业化推广。

“到那时候,核电站就变成很理想的了。燃料进来,强放射性核废料不用送出去,只要在核电站内部再生,进的燃料很少,排出的废物也很少。”詹文龙笑着说,“这条路,我越走越有信心。”

 
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