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啟明星Ⅱ號

Ⅱ號

“太過先進(jìn)，無法展示”？！近日，微信上一篇關(guān)于加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS）的文章引發(fā)熱議。ADS是個(gè)什么鬼？到底有多先進(jìn)，以至于無法展示？這項(xiàng)核能新技術(shù)靠譜嗎？《中國科學(xué)報(bào)》記者帶著這些問題采訪了從事ADS研究的有關(guān)專家。

最具潛力的核廢料嬗變裝置

“因?yàn)檫@個(gè)新興研究方向還不為人所知，才會弄出‘太過先進(jìn)，無法展示’的爭議話題。”中核集團(tuán)中國原子能科學(xué)研究院研究員史永謙迫不及待地給記者做起科普：ADS是一種新型的核能利用裝置，它集成了20世紀(jì)核科學(xué)技術(shù)發(fā)展的兩大工程技術(shù)——加速器和反應(yīng)堆技術(shù)。

ADS裝置由強(qiáng)流質(zhì)子加速器、重金屬散裂靶和次臨界反應(yīng)堆三大分系統(tǒng)組成，其原理是利用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶，產(chǎn)生散裂中子，作為外中子源以驅(qū)動次臨界反應(yīng)堆，與次臨界反應(yīng)堆內(nèi)的核材料發(fā)生核反應(yīng)，維持次臨界反應(yīng)堆的穩(wěn)定運(yùn)行。

史永謙告訴記者，目前國際上重點(diǎn)是利用ADS嬗變的作用。

核燃料使用到一定程度后就需卸出，成為乏燃料。乏燃料的安全處理和處置，是我國乃至國際核能界無法回避的重大問題，也是尚未解決的世界性難題。

中科院合肥物質(zhì)研究院研究員吳宜燦在《Engineering》上撰文指出，由于ADS具有中子能譜硬、通量高、能量分布范圍廣，次錒系核素嬗變和長壽命裂變產(chǎn)物能力強(qiáng)的特點(diǎn)，利用它對核廢料進(jìn)行嬗變處理，可大幅降低核廢料的放射性危害，實(shí)現(xiàn)核廢料的最小化處置，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)能量放大，提高核資源的利用率。

“ADS的次臨界反應(yīng)堆還可以發(fā)電，等于將核廢料變成了可以用于發(fā)電的核燃料，且發(fā)電后產(chǎn)生的廢料可以相對安全的處理。”史永謙說。

按2030年非化石能源占我國一次能源消費(fèi)的比例為20%估算，2030年核電裝機(jī)容量將達(dá)到150-200百萬千瓦，屆時(shí)乏燃料累積存量將達(dá)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(xù)發(fā)展的瓶頸問題之一。

原子能院研究員朱慶福表示，作為國際上公認(rèn)的最具潛力的核廢料嬗變裝置，ADS在我國核能大規(guī)�？沙掷m(xù)發(fā)展的閉式燃料循環(huán)戰(zhàn)略中將發(fā)揮重要作用。

探索先進(jìn)核能系統(tǒng)的戰(zhàn)略性舉措

ADS的概念最早是在意大利科學(xué)家Carlo Rubbia上世紀(jì)90年代初提出的“能量放大器”的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。“能量放大器”的概念一經(jīng)提出，就受到國際核能界的極大關(guān)注，核能國家都進(jìn)行了研究。

“我國起步并不晚。”史永謙從上世紀(jì)90年代起參與ADS研究。他回憶說，當(dāng)時(shí)中科院院士丁大釗、何祚庥和方守賢等科學(xué)家認(rèn)為“這是很有前途的一個(gè)方向，可以發(fā)展，應(yīng)積極推動我國ADS研究”。后在香山會議上，時(shí)任中國工程院副院長師昌緒提出，“ADS技術(shù)沒有不可逾越的困難，建議申請‘973’”。

于是，1997年起由原子能院牽頭實(shí)施了兩期關(guān)于ADS基礎(chǔ)研究的“973”項(xiàng)目，在強(qiáng)流ECR離子源、ADS專用中子和質(zhì)子微觀數(shù)據(jù)評價(jià)庫、次臨界反應(yīng)堆物理和技術(shù)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“啟明星I號”，并成為國際原子能機(jī)構(gòu)開展ADS試驗(yàn)研究的基準(zhǔn)裝置。

與此同時(shí)，中科院重點(diǎn)支持了超導(dǎo)加速器技術(shù)研發(fā)，并結(jié)合相關(guān)研究所的優(yōu)勢，部署了重大項(xiàng)目“ADS 前期研究”。

“起初許多人并不看好ADS，但隨著研究的推進(jìn)，大家覺得這個(gè)方向還是很有前途的。”史永謙說。

2011年，中科院根據(jù)我國核能可持續(xù)發(fā)展的重大需求與已有研發(fā)布局，結(jié)合國際發(fā)展態(tài)勢，從技術(shù)可行性出發(fā)，提出了我國ADS發(fā)展路線圖：第一階段為原理驗(yàn)證階段，即建立加速器驅(qū)動嬗變研究裝置；第二階段為技術(shù)驗(yàn)證階段，即要建立加速器驅(qū)動嬗變示范裝置；第三階段為工業(yè)推廣階段。

同年，中科院啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)“未來先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”，旨在通過3個(gè)階段的研發(fā)，自主發(fā)展ADS從試驗(yàn)裝置到示范裝置的全部核心技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)。

中科院院士詹文龍表示，我國長期持續(xù)開展ADS研究，是在國際核能發(fā)展大局下，作為負(fù)責(zé)任的發(fā)展中大國，對核廢料處理處置提前布局謀篇的戰(zhàn)略性舉措。

2015年12月，國家發(fā)改委正式批準(zhǔn)“加速器驅(qū)動嬗變研究裝置”(CIADS)立項(xiàng)，項(xiàng)目建成后將成為世界上首個(gè)兆瓦級加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)研究裝置。

難度堪比“兩彈一星”

縱觀全球，歐盟各國以及美、日、俄等核能科技發(fā)達(dá)國家均有對ADS的長中期發(fā)展計(jì)劃，正處在從關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)逐步轉(zhuǎn)入建設(shè)系統(tǒng)集成的ADS原理驗(yàn)證裝置階段。

“從技術(shù)發(fā)展階段來看，中國的ADS發(fā)展處在第二階段，與世界先進(jìn)ADS研發(fā)國處于同一發(fā)展階段。”朱慶福說。

去年年底，我國首座鉛基反應(yīng)堆零功率裝置“啟明星Ⅱ號”的成功建成就是第二階段的重要成果。“啟明星Ⅱ號”創(chuàng)新地采用了水堆和鉛堆“雙堆芯”的結(jié)構(gòu)，以不同富集度的固體鈾棒柵作為核燃料，以水或鉛為介質(zhì)的多功能反應(yīng)堆物理綜合實(shí)驗(yàn)研究平臺。

“所謂零功率反應(yīng)堆，指的是運(yùn)行功率一般只在千分之一瓦到幾十瓦之間的研究試驗(yàn)反應(yīng)堆。”原子能院反應(yīng)堆物理研究室理論組組長周琦解釋說，“它的主要用途是獲取新的知識，就像航空工程中的風(fēng)洞。任何一種新堆型的物理設(shè)計(jì)，都需要在零功率堆上進(jìn)行研究和優(yōu)化。”

在很多專業(yè)人士看來，ADS的難度堪比“兩彈一星”，沒有任何的經(jīng)驗(yàn)可學(xué)習(xí)借鑒。“反應(yīng)堆和加速器都是很大的工程，兩個(gè)聯(lián)系到一起涉及到很多新的問題。”原子能院高級工程師張巍坦言。

中國是世界上首個(gè)開展ADS系統(tǒng)大工程項(xiàng)目研制的國家。目前國際上尚未有ADS嬗變系統(tǒng)工程化應(yīng)用的先例，“啟明星Ⅱ號”將為ADS嬗變系統(tǒng)工程化研究提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

“啟明星Ⅱ號”首次實(shí)現(xiàn)臨界后，研究團(tuán)隊(duì)立即針對ADS特有的重金屬散裂靶與次臨界反應(yīng)堆的耦合特性以及靶和緩沖區(qū)對反應(yīng)堆的影響等重要課題，在兩個(gè)堆芯上分別進(jìn)行系統(tǒng)性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究。因?yàn)樗麄兿嘈牛?ldquo;雖然離工程化應(yīng)用還很遠(yuǎn)，但不能說ADS技術(shù)沒有用、不可行。”