ADS潔凈核能系統(tǒng)

1、加速器驅(qū)動(dòng)次加速器驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)調(diào)研臨界潔凈核能系統(tǒng)調(diào)研劉昌奇核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2016.12.101. ADS系統(tǒng)研發(fā)背景系統(tǒng)研發(fā)背景2. ADS系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)3. ADS發(fā)展必須解決的技術(shù)關(guān)鍵發(fā)展必須解決的技術(shù)關(guān)鍵4. 國(guó)際和國(guó)際和國(guó)內(nèi)研究國(guó)內(nèi)研究工作進(jìn)展工作進(jìn)展5. 總結(jié)總結(jié) 發(fā)展清潔能源是我國(guó)及全球能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。核裂變能是技術(shù)成熟的清潔能源，具有高效、低碳排放、安全可靠和可規(guī)模生產(chǎn)的突出優(yōu)勢(shì)，是解決未來(lái)能源供應(yīng)、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。 要實(shí)現(xiàn)核裂變能的快速、可持續(xù)發(fā)展，在確保安全的前提下必須解決兩個(gè)重大問(wèn)題：核燃料的穩(wěn)定可靠供應(yīng)和乏燃料(

2、尤其是其中的長(zhǎng)壽命高放射性核廢料)的安全處理和處置。其中，后一個(gè)問(wèn)題是我國(guó)乃至國(guó)際核能界無(wú)法回避的重大問(wèn)題，也是世界尚未解決的難題。1 ADS系統(tǒng)的系統(tǒng)的研發(fā)研發(fā)背景背景1.1核能發(fā)展背景核能發(fā)展背景 核燃料在反應(yīng)堆中發(fā)生裂變核反應(yīng)釋放出核能用于發(fā)電，并生成種類(lèi)眾多的裂變產(chǎn)物；同時(shí)，核燃料中的重原子(鈾238等)因發(fā)生中子俘獲反應(yīng)而生成超鈾核素，钚(Pu)、镎(Np)、镅(Am)等。于是，核燃料使用到一定程度后就需卸出成為乏燃料。乏燃料最初 30 至 50 年內(nèi)，其放射性毒性主要取決于裂變產(chǎn)物；100 年以后毒性主要來(lái)自钚等超鈾核素和一些長(zhǎng)壽命的裂變產(chǎn)物，需經(jīng)過(guò)幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)年的衰變放射性水平

3、才能降到天然鈾礦的水平。 由于大多數(shù)的超鈾核素的半衰期很長(zhǎng)（從幾百年至數(shù)十萬(wàn)年），且大多具有粒子放射性，這些核素被列入放射性毒性分組中的極毒組或高毒組，一旦進(jìn)入人體，會(huì)對(duì)組織和器官造成嚴(yán)重的輻射危害。一座100萬(wàn)k W的壓水堆（PWR）核電站，每年卸出乏燃料約25噸；其中含有可循環(huán)利用的鈾約23.75噸，钚約200 kg, 中短壽命的裂變產(chǎn)物(FPs)約1噸；還有次錒系核（MAs）約20 kg，長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物（LLFPs）約30 kg，這些核廢物壽命長(zhǎng)、放射毒性大，對(duì)環(huán)境構(gòu)成長(zhǎng)期危害。 隨著我國(guó)核電站裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，核廢料的累積量將快速增加，乏燃料特別是其中的長(zhǎng)壽命高放射性核廢料的安全處理

4、處置將成為影響我國(guó)核電可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一。 根據(jù)乏燃料和高放射性核廢料處理處置方式的差異，國(guó)際上主要有三種核燃料循環(huán)模式： “開(kāi)環(huán)”模式 鈾钚再利用的“閉式循環(huán)”模式 “分離嬗變”閉式循環(huán)模式。 “開(kāi)環(huán)”模式（又稱(chēng)一次通過(guò)長(zhǎng)期處置）：乏燃料將直接作為高放射性核廢料進(jìn)行地質(zhì)深埋。這種模式相對(duì)費(fèi)用較低，特別是未對(duì)其中的钚進(jìn)行分離，可防止核擴(kuò)散。但由于需要在地質(zhì)層中長(zhǎng)期存放，其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法預(yù)期和有效控制。 鈾钚再利用的“閉式循環(huán)”模式：將乏燃料中的鈾和钚分離出來(lái)，并制成混合氧化鈾钚（MOX）燃料，剩下的高放射性核1.2 乏燃料處理方式乏燃料處理方式廢料經(jīng)玻璃固化等工藝處理后進(jìn)行最終的地質(zhì)深埋。

5、該循環(huán)模式可以明顯提高核燃料的利用效率，同時(shí)也將大幅減小高放射性核廢料的處置量。但由于次錒系核素和一些長(zhǎng)壽命裂變核素的存在，核廢料的放射性毒性需要上萬(wàn)年的時(shí)間才能衰變至天然鈾礦的水平。 “分離嬗變”閉式循環(huán)的概念是 20 世紀(jì)90 年代提出的，其核心是在鈾/钚再利用閉式循環(huán)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用嬗變核反應(yīng)將高放射性核廢料中的次錒系核素等長(zhǎng)壽命核素轉(zhuǎn)化為中短壽命、低放射性核素或穩(wěn)定核素。這就是加速加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)（器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)（Accelerator driven sub-critical system (ADS)），嬗變處理可以將高放廢料的半衰期從幾十萬(wàn)年減少至幾百年。也就說(shuō)，原本需要存

6、放幾十萬(wàn)年的高放廢料，經(jīng)過(guò)處理后，只需存放幾百年就可以了。1.3 ADS是理想是理想的焚燒爐的焚燒爐 ADS由強(qiáng)流質(zhì)子加速器、外源中子產(chǎn)生靶和次臨界反應(yīng)堆構(gòu)成，是一種高效的核廢物嬗變器（或焚燒爐）。 一個(gè)系統(tǒng)的嬗變能力和增殖能力主要由兩個(gè)因素所決定：除了維持系統(tǒng)自持和考慮各種吸收及泄漏外的中子余額數(shù)目；系統(tǒng)嬗變或增殖每個(gè)核所消耗的中子數(shù)目。 與臨界堆相比，ADS系統(tǒng)有兩個(gè)重要的特點(diǎn)。第一，由于ADS系統(tǒng)有外源中子，其中子余額數(shù)目明顯地多于臨界堆，因此其核燃料的增殖能力和核廢料的嬗變能力明顯強(qiáng)于其他所有已知的臨界堆。第二，由于ADS系統(tǒng)的能譜很硬，幾乎所有長(zhǎng)壽命的錒系核素在ADS系統(tǒng)中都成為可裂

7、變的資源，因此，ADS系統(tǒng)中錒系核素的中子經(jīng)濟(jì)性明顯好于其他所有已知的臨界堆。ADS具有良好的安全性，ADS燃料中對(duì)MAs的裝載量沒(méi)有嚴(yán)格的限制。在所有已知的嬗變系統(tǒng)中，ADS是最理想的核廢物焚燒爐。2 ADS系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu) ADS 系統(tǒng)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（圖）是一種高效的核廢物嬗變器（或焚燒爐）。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)。其基本原理是，利用加速器產(chǎn)生的高能強(qiáng)流質(zhì)子束轟擊重核產(chǎn)生寬能譜、高通量散裂中子作為外源中子，來(lái)驅(qū)動(dòng)次臨界堆芯中的裂變材料發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。散裂中子和裂變產(chǎn)生的中子除維持反應(yīng)堆功率水

8、平所需以及各種吸收與泄露外，余下的中子可用于核廢料的嬗變或核燃料的增殖。次錒系核素與快中子發(fā)生裂變核反應(yīng)，生成半衰期較短和毒性較小的裂變產(chǎn)物；長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物的嬗變主要通過(guò)熱中子俘獲、衰變等核反應(yīng)過(guò)程生成短壽命或穩(wěn)定的核素。2.1 強(qiáng)強(qiáng)流質(zhì)子流質(zhì)子加速器加速器 強(qiáng)流質(zhì)子加速器其作用是用來(lái)產(chǎn)生高能、強(qiáng)流、大功率質(zhì)子束流，通過(guò)質(zhì)子束流轟擊散裂靶產(chǎn)生高通量中子來(lái)維持次臨界堆內(nèi)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)?？晒┻x擇的質(zhì)子加速器有回旋加速器和直線(xiàn)加速器兩種。 回旋加速器利用粒子在恒定磁場(chǎng)中回旋頻率相同的原理設(shè)計(jì)而成，粒子的能量越高，所需要的回轉(zhuǎn)半徑越大約束磁場(chǎng)越強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō)，這種加速器的質(zhì)子束流能量的上限是 1GeV。 直

9、線(xiàn)加速器的加速原理是讓帶電粒子在一條直線(xiàn)上連續(xù)通過(guò)多個(gè)高頻加速間隙進(jìn)行加速。只要有足夠長(zhǎng)的加速空間，其能量不會(huì)受到相對(duì)論效應(yīng)或者機(jī)器尺寸的限制。理論上直線(xiàn)加速器可以加速幾百毫安的強(qiáng)流質(zhì)子，比人們所公認(rèn)的回旋加速器的極限流強(qiáng)高至少一個(gè)量級(jí)，更適用于ADS的需求。目前采用超導(dǎo)技術(shù)的直線(xiàn)加速器技術(shù)已獲得成功，束流損耗大大降低，提高了能量的傳遞效率，是ADS系統(tǒng)加速器技術(shù)的優(yōu)選方案。2.2 重金屬重金屬散裂散裂靶靶激發(fā)能低于幾個(gè)MeV之后剩余核將通過(guò)發(fā)射光子退激發(fā)。發(fā)射出的核子又會(huì)導(dǎo)致附近其他的原子核發(fā)生反應(yīng)，直到次級(jí)粒子的能量足夠低，小于核反應(yīng)的閾值為止。 為了保證在高能質(zhì)子轟擊下散裂靶能夠穩(wěn)定產(chǎn)生

10、整個(gè)ADS 系統(tǒng)在次臨界條件下持續(xù)工作所需的中子通量和空間分布，選擇易發(fā)生散裂反應(yīng)的重金屬如鉛、鉛鉍合金和鎢為靶材料。一般來(lái)說(shuō)，ADS 散裂靶的設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足以下條件：中子產(chǎn)額應(yīng)盡量高；能承受高的束流功率；可持續(xù)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間且易于更換和維護(hù)。2.3 ADS 系統(tǒng)堆芯系統(tǒng)堆芯 ADS 系統(tǒng)的堆芯是一個(gè)次臨界、快中子反應(yīng)堆。當(dāng)中子能量較低時(shí)，次錒系核素的中子俘獲截面遠(yuǎn)大于裂變反應(yīng)截面，不利于次錒系核素的嬗變，因而快中子堆芯更有利于核廢料的嬗變。 ADS 系統(tǒng)選用次臨界堆芯主要是出于反應(yīng)堆的安全控制和次錒系核素裝載量靈活性的考慮。反應(yīng)堆中核燃料裂變產(chǎn)生的中子分為瞬發(fā)中子和緩發(fā)中子兩類(lèi)。緩發(fā)中子是由部分裂

11、變產(chǎn)物衰變產(chǎn)生的，雖然緩發(fā)中子占總產(chǎn)生中子的份額不足1%，但它對(duì)于臨界反應(yīng)堆的安全控制卻起著至關(guān)重要的作用。若只有瞬發(fā)中子，當(dāng)引入一個(gè)很小的正反應(yīng)性時(shí)，反應(yīng)堆的功率會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)急劇增加而變得難以控制。由于緩發(fā)中子的存在，大大增加了每一代中子的平均壽命，從而有效滯緩反應(yīng)堆功率的變化速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆的安全控制。3 ADS發(fā)展必須解決的發(fā)展必須解決的技術(shù)問(wèn)題技術(shù)問(wèn)題 3.1 強(qiáng)流強(qiáng)流加速器關(guān)鍵技術(shù)加速器關(guān)鍵技術(shù) 10100 MW量級(jí)束功率的強(qiáng)流中能加速器在物理基礎(chǔ)方面的難點(diǎn)在于解決強(qiáng)流束加速與傳輸中的束暈形成和束流損失問(wèn)題。目前，國(guó)際上主流的態(tài)勢(shì)是選用直線(xiàn)型加速器作為驅(qū)動(dòng)加速器，這是達(dá)到101

12、00 MW級(jí)束功率的唯一可能的選擇。 普遍認(rèn)為超導(dǎo)射頻（SRF）直線(xiàn)加速器是最有可能達(dá)到上述要求的加速器類(lèi)型。與環(huán)形加速器不同，粒子在直線(xiàn)加速器中運(yùn)行軌道是直線(xiàn)，這樣對(duì)于各個(gè)不同能量段的加速結(jié)構(gòu)之間沒(méi)有特殊的注入和引出要求，從而降低了這些敏感區(qū)域粒子損失的可能，提高了加速器的最高流強(qiáng)。若采用常溫結(jié)構(gòu)，大量的射頻功率會(huì)損失在射頻腔的腔壁上，功率利用率非常低。超導(dǎo)加速結(jié)構(gòu)一般都是具有相對(duì)較少加速間隙的短超導(dǎo)腔，且每個(gè)腔體都是獨(dú)立饋贈(zèng)功率的，有利于采用局部補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)提高整個(gè)機(jī)器的可靠性。3.2 高高功率散裂功率散裂靶關(guān)鍵靶關(guān)鍵技術(shù)技術(shù) 散裂靶需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：輻照性能、機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能、抗

13、腐蝕性能好的靶窗和靶結(jié)構(gòu)材料的評(píng)價(jià)和選擇；LBE或液鉛的熱工水力特性研究；流致振動(dòng)問(wèn)題研究等。3.3 次次臨界反應(yīng)堆關(guān)鍵技術(shù)臨界反應(yīng)堆關(guān)鍵技術(shù) 次臨界反應(yīng)堆中子通量和功率水平與同型臨界堆相當(dāng)，因此發(fā)展次臨界反應(yīng)堆沒(méi)有不可超越的技術(shù)障礙, 技術(shù)難點(diǎn)集中于: （1）由于能譜相當(dāng)硬的點(diǎn)狀或線(xiàn)狀外中子源的存在，堆芯功率密度分布不均勻，將導(dǎo)致組件熱功率和中子注量率徑向和軸向峰因子的變化。需要解決功率展平的問(wèn)題。（2）作為嬗變裝置，包層中將安排主要由MA和LLFP組成的嬗變?cè)骷枰芯科鋵?duì)堆芯性能的影響和因此帶來(lái)的特殊安全問(wèn)題。4 國(guó)際國(guó)際和國(guó)內(nèi)研究工作進(jìn)展和國(guó)內(nèi)研究工作進(jìn)展 4.1 國(guó)際上的發(fā)展現(xiàn)狀

14、國(guó)際上的發(fā)展現(xiàn)狀 美國(guó) 1999 年制訂了加速器嬗變核廢料的ATW 計(jì)劃，從 2001 年開(kāi)始實(shí)施先進(jìn)加速器技術(shù)應(yīng)用的 AAA 計(jì)劃，全面開(kāi)展 ADS 相關(guān)的研究。當(dāng)前勞斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)又提出SMART 計(jì)劃，研究核廢料的嬗變方案。美國(guó)機(jī)構(gòu)計(jì)劃在烏克蘭聯(lián)合建造一個(gè)百千瓦級(jí)功率的 ADS 集成裝置，但由于戰(zhàn)爭(zhēng)等原因，此計(jì)劃仍在延遲中。費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在計(jì)劃建造的Project-X是一臺(tái)多用途的高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器，除用于高能物理研究外，也打算將ADS的應(yīng)用納入其中。 日本從 1988 年啟動(dòng)了最終處置核廢料的OMEGA 計(jì)劃，后期集中于 ADS 開(kāi)發(fā)研究。由日本原子力研究機(jī)構(gòu)(JA

15、EA)和高能加速器研究機(jī)構(gòu)(KEK) 聯(lián)合建造的日本強(qiáng)流質(zhì)子加速器裝置 (J-PARC)，計(jì)劃在未來(lái)升級(jí)工程中將直線(xiàn)加速器能量提高到600 Me V，用于開(kāi)展ADS的實(shí)驗(yàn)研究。 俄羅斯于 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)展 ADS 研發(fā)工作，內(nèi)容涉及ADS相關(guān)核參數(shù)的實(shí)驗(yàn)；理論研究與計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)；ADS實(shí)驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)；1 Ge V/30 m A 質(zhì)子直線(xiàn)加速器的發(fā)展；先進(jìn)核燃料循環(huán)的理論與實(shí)驗(yàn)研究等。 我國(guó)從 20 世紀(jì) 90 年代起開(kāi)展 ADS 概念研究。1995年在中國(guó)核工業(yè)總公司的支持下成立了ADS 概念研究組，開(kāi)展以 ADS 系統(tǒng)物理可行性和次臨界堆芯物理特性為重點(diǎn)的研究工作。1

16、999 年起實(shí)施的重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“加速器驅(qū)動(dòng)的潔凈核能系統(tǒng)(ADS)的物理和技術(shù)基礎(chǔ)研究”，在強(qiáng)流 ECR 離子源、ADS 專(zhuān)用中子和質(zhì)子微觀數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)庫(kù)、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，建立了快熱耦合的ADS次臨界實(shí)驗(yàn)平臺(tái)“啟明星一號(hào)”。與此同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院還重點(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(shì)，部署了重大項(xiàng)目“ADS 前期研究”4.2 國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)ADS研究的現(xiàn)狀及發(fā)展研究的現(xiàn)狀及發(fā)展 。這些研究工作為今后進(jìn)行ADS的研發(fā)、物理驗(yàn)證和工業(yè)示范打下了堅(jiān)實(shí)的物理技術(shù)基礎(chǔ)。 經(jīng)過(guò) 20092010 年全面深入的醞釀和凝練，中國(guó)科學(xué)院根據(jù)我國(guó)核能可持續(xù)

17、發(fā)展的重大需求與已有研發(fā)布局，結(jié)合國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)，從技術(shù)可行性出發(fā)，提出了我國(guó)ADS發(fā)展路線(xiàn)圖。 中國(guó)ADS 發(fā)展可以分為三個(gè)階段。第一階段為原理驗(yàn)證階段，即建立加速器驅(qū)動(dòng)嬗變研究裝置。該階段主要解決ADS 系統(tǒng)單元關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，從整機(jī)集成的層面上掌握ADS各項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成與 ADS 調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，為下一步建設(shè) ADS 示范裝置奠定基礎(chǔ)。第二階段為技術(shù)驗(yàn)證階段，即要建立加速器驅(qū)動(dòng)嬗變示范裝置。加速器、散裂靶和次臨界反應(yīng)堆的系統(tǒng)指標(biāo)提升，建成能量1 GeV、流強(qiáng)10 mA 加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界堆系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性提升，達(dá)工業(yè)級(jí)要求。實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)驗(yàn)證的核心是要解決可靠性、燃料和材料問(wèn)題，確定工業(yè)推

18、廣裝置的燃料和材料選擇。第三階段為工業(yè)推廣階段，該階段以企業(yè)為主導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行可靠性和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的驗(yàn)證，進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。 2011 年 1 月，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了 ADS 先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)，由近代物理研究所、高能物理研究所、合肥物質(zhì)科學(xué)研究院承擔(dān)，并聯(lián)合院內(nèi)外其他相關(guān)研究單位共同開(kāi)展ADS第一階段的原理驗(yàn)證研究，解決 ADS 系統(tǒng)中的各單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)示范裝置的需求開(kāi)展前瞻性研究工作，發(fā)展ADS研究所需的平臺(tái)基礎(chǔ)。在先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的基礎(chǔ)上，利用“十二五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“加速器驅(qū)動(dòng)嬗變研究裝置”(China Initiative Accelerator Driven System，簡(jiǎn)稱(chēng) CIADS)建設(shè)項(xiàng)目的支持，從整機(jī)集成的層面上掌握ADS各項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成