■本報記者 倪思潔

不久前，中科院發(fā)布科技支撐“雙碳”戰(zhàn)略行動計劃，先進核能技術(shù)是重點攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在各類減少碳排放的清潔能源中，核能是令人又愛又懼的存在。作為清潔能源，核能可以有效減少碳排放，成為替代化石能源的希望，但它也是懸在人們頭頂?shù)倪_摩克利斯之劍，美國三英里島核事故、蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故、日本福島核泄漏，一次次核事故給核電發(fā)展蒙上陰影。

怎樣在助力“雙碳”目標實現(xiàn)的同時，讓核電技術(shù)更安全可靠、更可持續(xù)？這是中科院的科學(xué)家們一直在探索的問題。

核裂變能技術(shù)：榨凈核廢料，豐富核燃料

2016年，中科院院士詹文龍曾前往美國華盛頓州哥倫比亞河畔的漢福德鎮(zhèn)參觀。那里是美國發(fā)展核武器后最大的放射性核廢料處理廠區(qū)。那里存放著含強化學(xué)腐蝕、強放射性核廢液的銹跡斑斑的大罐子。

詹文龍至今記得當時觸目驚心之感：“美國現(xiàn)在一年要用20億美元去維持那里的安全。”這讓他更加堅定了一個想法：在我國發(fā)展一種能夠更安全、更經(jīng)濟地處理核廢料的技術(shù)。

在科學(xué)家眼中，核廢料并不是“廢料”，而是可以繼續(xù)利用的“乏燃料”。早在2011年，中科院就啟動了“未來先進核裂變能—ADS嬗變系統(tǒng)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（簡稱ADS先導(dǎo)專項），目標是利用加速器產(chǎn)生高能質(zhì)子，驅(qū)動乏燃料繼續(xù)“燃燒”。由于加速器停止運行時，燃料就能停止“燃燒”，這一技術(shù)也被國際公認為最有前景的利用嬗變安全處置長壽命核廢料的技術(shù)途徑。

到2016年詹文龍赴美參觀時，科學(xué)家們已經(jīng)突破了一些ADS的關(guān)鍵核心技術(shù)，并且完成了一種新方案的設(shè)計，即一種能把乏燃料“吃干榨凈”的、具有更高性價比的“加速器驅(qū)動先進核能系統(tǒng)”（ADANES）。

新方案由兩部分組成，一是將已有的ADS技術(shù)工業(yè)化，二是研制乏燃料再生循環(huán)利用系統(tǒng)（ADRUF）。前者相當于“造爐子”，后者相當于“造燃料”。

詹文龍介紹，根據(jù)這一方案，鈾資源的利用率將由目前的不到1% 提高到超過95%，最終只需處置少于5%的核廢料，其放射性壽命將由數(shù)十萬年縮短到五百年內(nèi)，還可燃燒30%的釷資源，這將支撐核電發(fā)展成千上萬年。在實現(xiàn)碳中和目標的同時，還能產(chǎn)生可用于精準靶向放療及核移動電源的珍貴同位素。

就在ADANES方案如火如荼地推進之時，與ADS先導(dǎo)專項同時啟動的“未來先進核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”（TMSR）先導(dǎo)專項也初見成效。

“在2011年啟動‘未來先進核裂變能’先導(dǎo)專項前已經(jīng)明確，中科院要做核能領(lǐng)域的科技創(chuàng)新。我們分析形勢之后認為有兩個切入點，一個針對核廢料安全隱患和環(huán)境影響的問題，研發(fā)核廢料安全處理處置技術(shù)，將需要地質(zhì)處置的核廢料最少化；另一個針對鈾—235核燃料匱乏問題，研發(fā)將釷—232用作核燃料的技術(shù)，以實現(xiàn)核燃料來源的多樣化。”中科院重大任務(wù)局材料能源處時任處長、中科院贛江創(chuàng)新研究院紀委書記彭子龍在回憶先導(dǎo)專項立項經(jīng)過時對《中國科學(xué)報》說。

TMSR先導(dǎo)專項計劃用20年左右的時間，在國際上首先實現(xiàn)釷基熔鹽堆的應(yīng)用，同時建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應(yīng)的科技隊伍。2017年11月，中科院與甘肅省簽署四代先進核能釷基熔鹽堆戰(zhàn)略合作框架協(xié)議。至2021年5月，TMSR主體工程已基本完工。

核聚變能技術(shù)：東方超環(huán)與神光

在發(fā)展核裂變能的同時，中科院還有一批科研人員在探索另一類未來先進核能技術(shù)——可控的核聚變能技術(shù)。

“聚變能是核能發(fā)展的最終目標，聚變能可以為碳中和的實現(xiàn)作出重大貢獻。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長、等離子體物理研究所所長宋云濤說。

核聚變相當于用力把一堆原子捏到一起，然后釋放出能量。核聚變反應(yīng)條件苛刻，不僅需要達到千萬甚至上億攝氏度的高溫，還需要巨大的壓力。因此，如何觸發(fā)反應(yīng)，是核聚變能技術(shù)的一大難點。

彭子龍告訴《中國科學(xué)報》，中科院科研人員在核聚變能技術(shù)上有兩個努力方向，一是磁約束的核聚變，二是慣性約束的核聚變。

磁約束核聚變，是通過托卡馬克裝置產(chǎn)生強大的磁場，把等離子體約束在盡可能小的范圍內(nèi)并將其持續(xù)加熱并維持在數(shù)千萬甚至上億度的高溫，以達到核聚變對溫度的要求。

早在上世紀70年代，位于合肥的中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所就開始了核聚變相關(guān)研究，并于上世紀90年代啟動磁約束的核聚變能技術(shù)——超導(dǎo)托卡馬克的研究。

2006年，被譽為“人造太陽”的東方超環(huán)正式建成，成為我國自行設(shè)計研制的國際首個全超導(dǎo)托卡馬克裝置。同年，以中科院為主導(dǎo)的中國團隊加入國際熱核聚變實驗堆計劃，成為全球探索“人造太陽”新能源隊伍中的重要一員。

2021年12月30日，東方超環(huán)實現(xiàn)7000萬攝氏度下長脈沖高參數(shù)等離子體持續(xù)運行1056秒，這是人類首次實現(xiàn)人造太陽持續(xù)脈沖過千秒。

慣性約束核聚變，是將聚變材料制成僅約一兩個毫米的靶丸，然后從四面八方均勻射入高能激光束以持續(xù)壓縮并最終引爆小球，形成微型“氫彈”爆炸，產(chǎn)生熱能。為了驗證這種原理，美國在2009年建成了國家點火裝置（NIF）。

在我國，上世紀60年代，中科院上海光學(xué)精密機械研究所開啟了我國激光慣性約束核聚變能的研究歷程。上世紀80年代，為了追趕國際研究的步伐，上海光機所開始了大型綜合性激光裝置——“神光”的預(yù)研工作，并于1986年建成，1994年裝置退役后被稱為“神光—I”。2000年和2015年，我國又先后建成神光—II激光裝置和神光—III主機激光裝置并投入使用。

面向2060：科學(xué)家們的夢想

從2011年至今的10多年里，“未來先進核裂變能”先導(dǎo)專項的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀讓彭子龍看到了中科院在開展先進核能技術(shù)方面的優(yōu)勢。

“當初，我們醞釀研討先導(dǎo)專項的時候，內(nèi)心瞄準的是30年以后的事情。”彭子龍說，作為國立科研機構(gòu)，中科院必須更加前瞻分析需求和挑戰(zhàn)，基于科學(xué)本源、科學(xué)規(guī)律思考解決方案。

在明確目標之后，中科院動員起了規(guī)模大、學(xué)科全的綜合創(chuàng)新力量。“每個先導(dǎo)專項都是十幾個研究所共同參與的。”彭子龍回憶。

他感慨，作為國家戰(zhàn)略科技力量，中科院的使命定位決定著其具有更強的創(chuàng)新能力和欲望。“國家要創(chuàng)新，中科院能創(chuàng)新。”彭子龍說。

面向碳中和目標，科研人員又一次鼓足了干勁。

作為先進核裂變能的研究者，詹文龍有一個夢想：在廣袤無人的沙漠戈壁灘上，建一片清潔能源的綠洲，將太陽能、風(fēng)能與更安全可靠的核能技術(shù)整合在一起，源源不斷地向千家萬戶輸出清潔無污染的電力能源。

詹文龍介紹，他們已突破ADS關(guān)鍵核心技術(shù)，2020~2027年將高標準高質(zhì)量按計劃建成國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“加速器驅(qū)動嬗變研究裝置”（CiADS）；針對ADRUF，同期建成模擬燃料示范的乏燃料干式處理生產(chǎn)線。同時，實現(xiàn)ADANES整體方案優(yōu)化；突破強輻照下稀有同位素量產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)與工藝，開展精準放療同位素的量產(chǎn)。

按技術(shù)進展，到2032年，他們將突破ADRUF關(guān)鍵核心技術(shù)，完成熱室系統(tǒng)建設(shè)并進行再生核燃料研發(fā)，并完成基于CiADS的燃燒示范；爭取國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高密度能源燃料研究裝置”完成立項，建設(shè)超強寬譜輻照設(shè)施及相關(guān)核材料研發(fā)平臺。

到2035年后，他們將完成ADANES集成優(yōu)化與工業(yè)應(yīng)用示范，為碳中和提供硬科技支撐，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

作為先進核聚變能的研究者，宋云濤也有一個夢想：10年內(nèi)建成未來核聚變發(fā)電站的示范工程，真正實現(xiàn)聚變堆發(fā)電。

“時間緊迫，中國有自己的‘時間路線圖’。按照現(xiàn)有技術(shù)，用10年時間建成核聚變發(fā)電示范工程是完全可以實現(xiàn)的，用不了多久，人類就可以點燃核聚變這個‘大煤球’。”宋云濤說。

無論是過去、現(xiàn)在還是未來，中科院的科研人員一直向著更安全、更可靠、更經(jīng)濟的核能技術(shù)努力。正是這些延續(xù)了10年、20年、半個多世紀的堅持，讓中國先進核能技術(shù)的發(fā)展前景有望，讓中國碳中和目標的實現(xiàn)未來可期。