加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)與核能可持續(xù)發(fā)展

趙志祥，夏海鴻

（中國原子能科學(xué)研究院，北京275信箱1分箱，北京　102413）

加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)與核能可持續(xù)發(fā)展

趙志祥，夏海鴻

（中國原子能科學(xué)研究院，北京275信箱1分箱，北京102413）

摘要：描述了ADS系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)和在我國核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的作用及地位；介紹了國內(nèi)外ADS研究的狀態(tài)和發(fā)展趨勢；提出了ADS研發(fā)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及解決這些問題的時間表；分析了ADS研發(fā)與國內(nèi)核能相關(guān)發(fā)展計劃的關(guān)系；并就我國開展ADS的研發(fā)提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：核能；ADS；嬗變

1　ADS在我國核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的作用及地位

1.1核廢物最少化是核能可持續(xù)發(fā)展必須解決的關(guān)鍵問題之一

核廢物問題是核能可持續(xù)發(fā)展的制約因素之一，尤其是乏燃料和高放廢物（乏燃料后處理產(chǎn)生的高放廢液及其固化體）的管理，長期以來一直是社會和公眾極其關(guān)注的焦點(diǎn)。

一座100萬kW的壓水堆（PWR）核電站，每年卸出乏燃料約25 t；其中含有可循環(huán)利用的鈾約23.75 t， 钚約200 kg， 中短壽命的裂變產(chǎn)物（FPs)約1 000 kg；還有次錒系核素（MAs）約20 kg，長壽命裂變產(chǎn)物（LLFPs）約30 kg，這些核廢物壽命長、放射毒性大，對人類環(huán)境構(gòu)成長期危害。

如何實(shí)現(xiàn)廢物最少化，即最大限度地減少核電站運(yùn)行產(chǎn)生的高放廢物的體積及其放射毒性，并將高放廢物安全處置，使之可靠地與生物圈長期隔離，確保子孫后代的環(huán)境安全，是關(guān)系到核能可持續(xù)發(fā)展和影響公眾對核能接受度的關(guān)鍵問題之一，也是一個重大的世界性難題。

根據(jù)2020年我國核電運(yùn)行裝機(jī)容量4 000萬kW和在建裝機(jī)容量1 800萬kW的發(fā)展目標(biāo)，預(yù)計到2020年乏燃料累積存量將達(dá)到6 000～10 000 t。如果2030年的核電裝機(jī)容量達(dá)到8 000萬～1億kW，則屆時乏燃料累積存量將達(dá)到20 000～25 000 t，其中所含钚為160～200 t，次錒系核素（MAs）為16～20 t，長壽命裂變產(chǎn)物（LLFPs）為24～30 t。

面對我國核電運(yùn)行將產(chǎn)生的日益增多的乏燃料，如何以核廢物最少化原則為指導(dǎo)，妥善處理、處置核電運(yùn)行過程中產(chǎn)生的高放廢物，以保證我國核能的可持續(xù)發(fā)展，將是一個必須解決的重大問題。

1.2分離-嬗變（P&T）戰(zhàn)略

國際上對乏燃料的管理有兩條技術(shù)路線或兩種循環(huán)方式，即“一次通過”循環(huán)方式和“閉式燃料”循環(huán)方式。

“一次通過”循環(huán)方式是指乏燃料經(jīng)過適當(dāng)包裝和儲存之后，直接進(jìn)行地質(zhì)處置?！耙淮瓮ㄟ^”循環(huán)是較為簡單的核燃料循環(huán)方式，存在問題有：鈾資源利用率低（＜1%），產(chǎn)生的廢物量大，廢物所需安全處置的時間長。

“閉式燃料”循環(huán)方式指乏燃料經(jīng)過后處理分離，將回收的鈾和钚返回到反應(yīng)堆中循環(huán)使用。分離-嬗變戰(zhàn)略是20世紀(jì)90年代以來國際上開發(fā)的先進(jìn)的閉式燃料循環(huán)的發(fā)展，它是在回收利用鈾和钚的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將次錒系元素（如镎、镅、鋦等）和長壽命裂變產(chǎn)物（如锝、碘等）分離出來，在嬗變裝置中進(jìn)行嬗變。

先進(jìn)核燃料循環(huán)戰(zhàn)略的實(shí)施，將在充分利用鈾資源的同時，實(shí)現(xiàn)核廢物體積和毒性的最少化，從而保證核能的可持續(xù)發(fā)展。

值得注意的是，美國作為多年來“一次通過”循環(huán)方式的積極倡導(dǎo)者，近年來其核燃料循環(huán)政策發(fā)生了根本性逆轉(zhuǎn)。從其自身的核能發(fā)展戰(zhàn)略需要，美國布什政府于2006年2月提出了“全球核能合作伙伴”（Global Nuclear Energy Partnership， GNEP）倡議。該倡議否定了當(dāng)年卡特政府的核燃料“一次通過”的核能政策，恢復(fù)包括后處理和快堆在內(nèi)的核燃料閉式循環(huán)方案。

1.3ADS是理想的長壽命放射性廢物焚燒爐

ADS由中能強(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）。ADS的基本原理如下：由加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束流轟擊設(shè)在次臨界堆中的重金屬靶件（如液態(tài)Pb或Pb-Bi合金），引起散裂反應(yīng)，再通過核內(nèi)級聯(lián)和核外級聯(lián)產(chǎn)生中子，一個能量為1 GeV的質(zhì)子在厚靶上約產(chǎn)生30個中子，散裂中子靶為次臨界堆提供外源中子。

一個系統(tǒng)的嬗變能力和增殖能力主要由兩個因素所決定：一是除了維持系統(tǒng)自持和考慮各種吸收及泄漏外的中子余額數(shù)目；二是系統(tǒng)嬗變或增殖每個核所消耗的中子數(shù)目。

與臨界堆相比，ADS系統(tǒng)有兩個重要的特點(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。研究表明，ADS的嬗變支持比可達(dá)到12左右。

第二，由于ADS系統(tǒng)的能譜很硬，幾乎所有長壽命的錒系核素在ADS系統(tǒng)中都成為可裂變的資源，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。計算表明，在ADS能譜下，幾乎所有的錒系核素的凈中子產(chǎn)生率均為正值。

ADS具有良好的安全性，ADS燃料中對MAs的裝載量沒有嚴(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。

1.4ADS研發(fā)對其他技術(shù)的帶動作用

ADS系統(tǒng)可提供具有靈活時間脈沖化特性的和新的運(yùn)行模式的強(qiáng)中子源，成為中子科學(xué)研究的重要平臺。這一平臺將為聚變堆材料研究提供機(jī)會，也將在中子散射技術(shù)發(fā)展、同位素生產(chǎn)、中子活化分析、中子照相、輻照治療等方面發(fā)揮作用。

ADS系統(tǒng)的開發(fā)將在先進(jìn)加速器技術(shù)、先進(jìn)的冷卻劑技術(shù)、高功率靶技術(shù)、次臨界反應(yīng)堆技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)積累。

ADS為釷資源的利用開辟了一個有前景的途徑。

串列加速器裝置

2　國際研究狀態(tài)和國內(nèi)研究工作的進(jìn)展

2.1國際研究狀態(tài)

自20世紀(jì)90年代初以來，ADS開始成為國際核科技研究的熱點(diǎn)。國際核科技界認(rèn)為ADS是一個有前途的新一代核能開發(fā)的技術(shù)路線。國際原子能機(jī)構(gòu)把它列入新型核能系統(tǒng)中，稱為“新出現(xiàn)的核廢物嬗變及能量產(chǎn)生的核能系統(tǒng)”，目前已把它納入國際原子能機(jī)構(gòu)的快堆與ADS技術(shù)工作組的年會內(nèi)容。國際上關(guān)于ADS的學(xué)術(shù)交流、研討會及科技合作日益活躍與頻繁。目前國際態(tài)勢已從概念研究進(jìn)入物理過程、技術(shù)部件的研究及核能系統(tǒng)集成的概念研究。

（1）歐盟

歐盟把ADS作為核廢料處理和處置的主要課題，在由7個國家16位科學(xué)家組成的以諾貝爾獎獲得者Rubbia為首的顧問組領(lǐng)導(dǎo)下，制訂了研究開發(fā)計劃框架。按2000年統(tǒng)計，投入人力約400人/年。研究范圍涉及強(qiáng)流加速器技術(shù)、中高能核數(shù)據(jù)、中子學(xué)設(shè)計程序研究、熱工水力設(shè)計程序研究、散裂靶物理，以及工業(yè)規(guī)模驗(yàn)證裝置設(shè)計等。

在歐盟框架計劃的指導(dǎo)下，各國也有相應(yīng)的國家研究計劃，按照法國1991年法律文本中關(guān)于核廢物管理的內(nèi)容，研究單位（CEA、CNRS）和工業(yè)部門（FRAMATOME、EDF）都參與ADS的研究與發(fā)展。在基礎(chǔ)性研究方面涵蓋ADS各個方面。在外源驅(qū)動次臨界堆物理方面，利用發(fā)展鈉冷快中子電站建造的大型零功率裝置MASURCA與GENEPI中子發(fā)生器結(jié)合，實(shí)施了MUSE計劃，與意大利、日本等國合作，開展大量的各種可供選擇的冷卻劑（Na、Pb、He）的模擬實(shí)驗(yàn)。工業(yè)部門也參與核廢料嬗變相關(guān)燃料循環(huán)的研究，致力于ADS工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計研究。

MYRRHA為多用途小尺寸ADS裝置的英文縮寫，由比利時提出，計劃將用它來替代現(xiàn)有的研究堆BR-2，用于材料和燃料元件研究、同位素生產(chǎn)以及用于嬗變和生物應(yīng)用研究。MYRRHA計劃的核心是由加速器驅(qū)動的鉛-鉍冷卻的快中子次臨界系統(tǒng)。MYRRHA計劃開始是多邊合作項(xiàng)目，后來演變?yōu)闅W洲共同體第六框架（European Commission Sixth Framework Program)的研究項(xiàng)目。2005年提交了MYRRHA計劃的初步設(shè)計文件。

歐盟各國ADS研究開發(fā)工作的特點(diǎn)是充分利用現(xiàn)有的核設(shè)施，共同合作開展實(shí)驗(yàn)研究，其中比較突出的是利用法國的大型快中子零功率實(shí)驗(yàn)裝置開展ADS中子學(xué)研究的MUSE計劃、利用瑞士PSI的強(qiáng)流質(zhì)子加速器開展MW級液態(tài)Pb-Bi冷卻的散裂靶研究的MEGAPIE（1 MEGAWATT Spallation Target Pilot Experiment）計劃，利用法國鳳凰快中子反應(yīng)堆開展含MA或LLFP的燃料元件在中子輻照條件下行為研究等。

（2）俄羅斯

俄羅斯ADS開發(fā)工作是從20世紀(jì)90年代ITEP同美國LANL的合作開始的。1998年俄聯(lián)邦原子能工業(yè)部決定啟動ADS開發(fā)計劃。以理論實(shí)驗(yàn)物理研究所（ITEP）和物理與動力工程研究所（IPPE）為代表，有10多個單位參加的工作組，擬訂研究計劃，在ISTC的支持下，協(xié)同開展工作。工作內(nèi)容涉及：ADS相關(guān)核參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，理論研究與計算機(jī)軟件開發(fā)，ADS實(shí)驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計，1 GeV、30 mA質(zhì)子直線加速器的發(fā)展，先進(jìn)核燃料循環(huán)的理論與實(shí)驗(yàn)研究等。俄羅斯比較重視ADS系統(tǒng)的新概念研究，典型的有：快-熱耦合固體燃料ADS次臨界裝置概念設(shè)計，快-熱熔鹽次臨界裝置概念設(shè)計等。

（3）美國

在能源部領(lǐng)導(dǎo)下，美國于1999年制訂了加速器嬗變核廢料工藝的路線圖，稱ATW計劃。由于美國早先致力于加速器生產(chǎn)氚的APT計劃，在強(qiáng)流質(zhì)子加速器方面有較多的技術(shù)儲備，有利于ATW計劃的實(shí)施。次臨界堆芯研究設(shè)計過多種熱中子和快中子系統(tǒng)方案，最后選中快中子次臨界堆芯，從2001財政年度開始，正式實(shí)施先進(jìn)加速器技術(shù)應(yīng)用的AAA計劃。在AAA計劃內(nèi)全面開展ADS相關(guān)的研究工作，并計劃在2010年左右建成一座加速器驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)裝置ADTF，用于證實(shí)ADS安全性、加速器與散裂靶及次臨界增殖系統(tǒng)之間耦合的有效性、嬗變性能和可運(yùn)行性。現(xiàn)在，ADS研究是美國先進(jìn)核燃料循環(huán)系統(tǒng)AFCI的有機(jī)組成部分。

美國與俄羅斯合作已建成了實(shí)用規(guī)模的Pb-Bi液態(tài)合金回路，并在結(jié)構(gòu)材料腐蝕控制問題上取得進(jìn)展，同時還開展了工業(yè)規(guī)模的ADS工程概念設(shè)計，公開發(fā)表鈉冷、Pb-Bi冷和氣冷3個設(shè)計研究。

（4）日本

日本從1988年10月就啟動了最終處置核廢料的長期研究與發(fā)展計劃，稱為OMEGA計劃，由3個主要的核能科學(xué)工程研究設(shè)計單位為主負(fù)責(zé)實(shí)施。它們是日本原子能研究所（JAERI）、日本燃料循環(huán)發(fā)展研究所（JNC前身稱為PNC）和中央電力工業(yè)研究所（CRIEPI）。日本除廣泛開展ADS相關(guān)的基礎(chǔ)研究外，主要以工程概念設(shè)計研究帶動相關(guān)的以工程實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)的技術(shù)開發(fā)研究。在研究比較了臨界焚燒爐ABR和ADS的性能之后，認(rèn)為ADS是MA嬗變的最佳選擇，所以O(shè)MEGA后期的研究工作集中在ADS的開發(fā)研究上，先后完成了鈉冷卻固體鎢靶和Pb-Bi冷卻液體靶兩個工業(yè)規(guī)模級、820 MW熱功率的概念設(shè)計。

日本還同時開展了具有工業(yè)規(guī)模的散裂靶和次臨界堆融為一體的熔鹽ADS概念設(shè)計研究。圍繞這些工業(yè)概念設(shè)計還開展了分離流程、燃料加工和后處理、Pb-Bi工藝和專用核數(shù)據(jù)庫及計算程序研究開發(fā)工作。

最近，日本開始實(shí)施中子科學(xué)計劃J-PARC，由日本原子能所和高能所（JAERIKEK）聯(lián)合建造強(qiáng)流質(zhì)子加速器，用以驅(qū)動全尺寸的ADS系統(tǒng)，使用Pb-Bi液態(tài)合金靶，分三個階段實(shí)施。第一階段束功率200 kW，次臨界堆芯用20%235U氧化物為燃料，裂變功率可達(dá)50 kW，用強(qiáng)迫空氣冷卻。第二階段束功率提高到2 MW，次臨界堆芯功率擬提高到500 kW，用自然循環(huán)Pb-Bi液態(tài)合金冷卻。第三階段以實(shí)證ADS工藝安全和嬗變性能為目的，束功率擬提高到50 MW，次臨界第一個堆芯仍用20%235U的氧化物燃料，第二個堆芯擬用專用于工業(yè)實(shí)用ADS系統(tǒng)的氮化物燃料。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀和主要進(jìn)展

我國在1996—1999年間在中國核工業(yè)集團(tuán)公司和國家自然科學(xué)基金會的支持下開展了ADS研究概念研究和物理可行性研究。1999年在科技部的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（“973計劃”）中立項(xiàng)，開展為期5年的“ADS物理和技術(shù)基礎(chǔ)研究”，由中國原子能科學(xué)研究院和中國科學(xué)院高能物理研究所共同承擔(dān)。

與先進(jìn)核能國家比較，我國的ADS研究起步較晚，投入較少，研究資源缺少。但由于充分利用了承擔(dān)單位的技術(shù)積累、很好地借鑒了國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)并且充分發(fā)揮了科研人員的積極性和創(chuàng)造性，目前我國ADS研究整體上達(dá)到國際水平，有些已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，得到了國際同行的認(rèn)可，保持了與國際同步的研究態(tài)勢。

國內(nèi)研究工作的主要進(jìn)展包括：建立了快-熱耦合的ADS次臨界實(shí)驗(yàn)平臺——“啟明星”1號；建成了輸出能量為3.5 MeV、輸出脈沖流強(qiáng)為43 mA的強(qiáng)流質(zhì)子RFQ加速器；建成了輸出能量為75 keV、輸出流強(qiáng)大于65 mA的強(qiáng)流ECR離子源；建立和配套了ADS中子學(xué)研究專用計算機(jī)軟件系統(tǒng)并開展了ADS工程概念優(yōu)化方案計算；建成了ADS專用中子和質(zhì)子微觀數(shù)據(jù)評價庫；創(chuàng)造性地進(jìn)行了專用材料的輻照效應(yīng)研究及其與液態(tài)金屬冷卻劑（鈉和Pb-Bi合金）的相容性研究；在核廢料核素的中子學(xué)價值、ADS特有的輻射防護(hù)問題、ADS系統(tǒng)的熱工水力問題等方面，也開展了一系列的探索性的研究，取得了積極成果。

總的來說，國內(nèi)研究處于基礎(chǔ)研究向小規(guī)模系統(tǒng)集成過渡階段。

3　ADS發(fā)展必須解決的技術(shù)關(guān)鍵問題

3.1確定系統(tǒng)主要的技術(shù)選擇

3.1.1系統(tǒng)大小和布局

一方面，用一個大功率加速器驅(qū)動一個或幾個嬗變裝置要比用幾個產(chǎn)生同樣束功率的小加速器驅(qū)動一個嬗變裝置花錢少；另一方面，由幾個小加速器來驅(qū)動一個嬗變裝置可以提高系統(tǒng)的可靠性和可使用率。要將造價、運(yùn)行費(fèi)用這些因素與可靠性、可使用率、可運(yùn)行性等因素進(jìn)行平衡。

物業(yè)管理公司總部要明確的制定好成本管理的工作，把權(quán)利交給總部來集中控制，將所屬部門統(tǒng)一起來，形成一套流暢的管理體系，部門之間多溝通、多交流，讓資源能夠得到共享。物業(yè)管理公司對一些常用物品的采購是相當(dāng)頻繁的，總部可以統(tǒng)一控制起來，進(jìn)行規(guī)模批發(fā)采購，通過大量的集中采購來節(jié)約所需成本，相關(guān)部門需要用的時候提前寫申請，總部統(tǒng)一進(jìn)行分配，這樣還能夠減少不必要的浪費(fèi)。物業(yè)管理公司在物料的配送上占很大一部分成本，這樣不僅能夠給下設(shè)部門及時提供所需還節(jié)約了運(yùn)輸費(fèi)，對公司的長遠(yuǎn)發(fā)展來說有更大的意義。在人員成本方面，公司總部應(yīng)該統(tǒng)一負(fù)責(zé)工作人員的招聘和分配，根據(jù)人員的才能進(jìn)行工作安排并降低人員流動成本。

帶有燃料處理廠的ADS單元可以滿足減少高放廢料運(yùn)輸?shù)囊?。先進(jìn)的液體金屬堆（ALMR）研究更傾向于模塊式的、中等大小的、工廠安裝好的、鐵路可運(yùn)輸?shù)姆磻?yīng)堆。需要對ADS系統(tǒng)的大小和布局進(jìn)行最佳化，應(yīng)考慮技術(shù)風(fēng)險和每一構(gòu)成大小的費(fèi)用，各構(gòu)成的最佳合成。

3.1.2加速器選型

目前，國際上主流的態(tài)勢是選用直線型加速器作為驅(qū)動加速器，這是達(dá)到20～100 MW級束功率的唯一可能的選擇。但如果采用幾個小加速器驅(qū)動嬗變裝置的方案，圓形加速器也是可能的選擇。同樣應(yīng)該將造價、運(yùn)行費(fèi)用、系統(tǒng)的可靠性和可使用率、可運(yùn)行性、技術(shù)風(fēng)險等因素進(jìn)行平衡。

3.1.3次臨界系統(tǒng)主要參數(shù)的選擇

需要確定燃料類型，固體的形式還是液體的形式。

通過提高系統(tǒng)的運(yùn)行溫度可以提高熱力學(xué)效率，減少結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械阻抗。但高的溫度對材料的相容性提出挑戰(zhàn)。要研究確定最佳反應(yīng)堆運(yùn)行條件，平衡售電收入的增加和風(fēng)險的增加及達(dá)到較高溫度所要求的R&D費(fèi)用的增加。

需要從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度確定最佳的次臨界度。

3.1.4靶和冷卻劑材料的選擇

幾個兆瓦功率級的散裂靶其導(dǎo)熱是最大的問題，液態(tài)金屬靶應(yīng)該是唯一的技術(shù)選擇。LBE和鉛與鈉相比具有中子產(chǎn)額高、安全性好等明顯的優(yōu)點(diǎn)。PSI的MAGAPIE計劃已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)展。

采用LBE、鉛、鈉和氦氣體做冷卻劑都可以獲得快中子能譜。目前大多數(shù)國際研究計劃傾向于液體金屬冷卻的次臨界裝置。技術(shù)選擇應(yīng)該在LBE冷卻和鈉冷間進(jìn)行。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但做最后的決定研究還不充分，研究應(yīng)針對兩種選擇的安全性、費(fèi)用等方面。

3.1.5燃料元件和待嬗變的HLW元件的形式

燃料嬗變的份額和燃料的成分將會影響包括中子學(xué)、燃耗行為、安全和高溫化學(xué)等方面的特性。元件中裝載較高的TRU和裂變產(chǎn)物將減少化學(xué)過程的復(fù)雜性，但會損失在輻照性質(zhì)和中子學(xué)特性方面的特性。較低的循環(huán)嬗變將減少嬗變的振蕩和相關(guān)的控制上的要求，但要求更多的燃料再循環(huán)步驟。需研究確定一次通過裝置是否可行或是否需要再循環(huán)的步驟。

3.1.6后處理工藝流程

采用水法和干法處理乏燃料各有優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)該評估每種方法的費(fèi)用和技術(shù)風(fēng)險。

以上ADS系統(tǒng)的主要技術(shù)選擇應(yīng)該在掌握單元關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上及早作出。

3.2強(qiáng)流加速器關(guān)鍵技術(shù)

10～100 MW量級束功率的強(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題，在工程技術(shù)方面的難點(diǎn)是提高加速器運(yùn)行的可靠性和可使用率。

需要發(fā)展減少束流損失的技術(shù)，目標(biāo)是將束流損失控制在1 W/m以內(nèi)，以降低輻射防護(hù)的要求，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。需要進(jìn)行束流動力學(xué)分析和模擬以評價光學(xué)匹配的要求，使束暈最小。需要發(fā)展束流損失小的加速結(jié)構(gòu)。

需要發(fā)展提高束流可靠性的技術(shù)，目的是將失束頻率比現(xiàn)在運(yùn)行的大多數(shù)加速器降低3～4個數(shù)量級，減少加速器的失束對元件的熱沖擊。通過分析、發(fā)展硬件和考驗(yàn)來解決束流可靠性的問題，要評估設(shè)備和子系統(tǒng)失效的原因，如何防止失效及恢復(fù)，系統(tǒng)設(shè)計要提供余度。

核臨界安全實(shí)驗(yàn)裝置

3.3高功率散裂靶和冷卻劑關(guān)鍵技術(shù)

如前所述，液態(tài)鉛鉍合金（LBE）或液態(tài)的鉛是幾個兆瓦級束功率下的散裂靶的比較可能的選擇。R&D工作應(yīng)該主要圍繞LBE或液鉛進(jìn)行。

需要解決的關(guān)鍵問題包括：輻照性能、機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能、抗腐蝕性能好的靶窗和靶結(jié)構(gòu)材料的評價和選擇；LBE或液鉛的熱工水力特性研究；流致振動問題研究等。

鈉冷卻劑技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，沒有明顯的化學(xué)問題和材料相容性問題要在R&D階段解決。

需要研究掌握LBE冷卻劑的關(guān)鍵技術(shù)，包括研究化學(xué)控制技術(shù)的LBE回路的設(shè)計和運(yùn)行，材料相容性研究和熱傳導(dǎo)及流動性質(zhì)的研究。LBE化學(xué)的研究：控制LBE中氧的含量，解決600 ℃高溫下材料是否與LBE相容的問題。

為了完成突破上述關(guān)鍵技術(shù)，建立1～2個適當(dāng)規(guī)模的LBE試驗(yàn)回路以增加LBE和LBE化學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累是必需的。

由于俄羅斯有將LBE用于核潛艇動力堆冷卻劑的經(jīng)驗(yàn)，由于PSI的MAGAPIE計劃在LBE研究方面已經(jīng)取得重要的進(jìn)展，加強(qiáng)國際合作對于加快掌握LBE技術(shù)是有利的。

高通量工程試驗(yàn)反應(yīng)堆

3.4次臨界反應(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)狀或線狀外中子源的存在，堆芯功率密度分布的嚴(yán)重不均勻問題，其將導(dǎo)致組件熱功率和中子注量率徑向和軸向峰因子的變化。如果元件的設(shè)計和冷卻方面增加裕度，將會增加建造和運(yùn)行的成本。需要解決功率展平的問題。

（2）包層倍增因子的提高可以降低對加速器束功率的要求，但同時也減少了安全邊界及系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。需要通過優(yōu)化設(shè)計找到最佳的平衡。

元件和結(jié)構(gòu)材料方面，由于LBE冷卻劑的采用帶來的強(qiáng)腐蝕問題和特殊的熱工水力和流致振動問題；由于加速器失束帶來熱沖擊問題；由于燃耗加深帶來的元件問題；由于能譜更硬、中子通量更高帶來的材料的輻照損傷問題等。

（3）作為嬗變裝置，包層中將安排主要由MA和LLFP組成的嬗變元器件，需要研究其對堆芯性能的影響和因此帶來的特殊安全問題。

開展上述研究需要引進(jìn)，開發(fā)、建立和檢驗(yàn)大量的計算機(jī)模擬與計算工具。在一定的階段，建立一個幾兆瓦熱功率次臨界實(shí)驗(yàn)裝置以檢驗(yàn)設(shè)計和進(jìn)行技術(shù)的集成是非常必要的。

3.5ADS后處理關(guān)鍵技術(shù)

涉及滿足增殖和嬗變要求PWR和快堆乏燃料處理研究，目標(biāo)是能有效從ADS乏燃料中分離鈾、钚、MA、Tc、I。還涉及ADS燃料后處理研究，目標(biāo)是輻照后的ADS燃料回收未嬗變掉的MA和LLFP和萃取新產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物，然后通過嬗變系統(tǒng)再循環(huán)。

3.6ADS研究發(fā)展所需要的核物理基礎(chǔ)研究

需要發(fā)展適合于ADS設(shè)計研究的ADS專用核數(shù)據(jù)庫和多群常數(shù)庫，能量應(yīng)該至少擴(kuò)展到300 MeV，核素應(yīng)該包括ADS的燃料、靶與結(jié)構(gòu)材料、待在ADS中嬗變的材料。

4　解決關(guān)鍵技術(shù)問題的日程表

4.1中國ADS研發(fā)活動建議的日程表

從現(xiàn)在起發(fā)展ADS技術(shù)到建成全尺度的示范裝置總計需要三個階段，大約25年的時間。

在第一個五年中，應(yīng)該解決ADS系統(tǒng)單元技術(shù)問題，包括加速器、靶、次臨界堆、化學(xué)分離等問題。在第一個五年結(jié)束的時候，應(yīng)該能夠?qū)ο到y(tǒng)的主要參數(shù)作出選擇，完成小尺度的技術(shù)集成裝置的詳細(xì)設(shè)計并開始建設(shè)。

在接下來的十年里，應(yīng)該進(jìn)行中等尺度的技術(shù)集成，建成并運(yùn)行由MW級加速器束功率驅(qū)動的30 MW熱功率的ADS實(shí)驗(yàn)堆，并開始進(jìn)行嬗變實(shí)驗(yàn)。

再用十年的時間，進(jìn)行全尺度的技術(shù)集成，建成并運(yùn)行全能量、降低流強(qiáng)的10 MW束功率的加速器驅(qū)動的800 MW熱功率的示范堆，進(jìn)行運(yùn)行可靠性和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的驗(yàn)證。

由于ADS技術(shù)發(fā)展的不確定性，為了減少決策的風(fēng)險，第一階段的R&D是極其重要的。

4.2建議的第一階段五年計劃研究內(nèi)容

應(yīng)圍繞ADS關(guān)鍵技術(shù)突破來開展，為下一步建設(shè)ADS技術(shù)集成裝置打好基礎(chǔ)。具體內(nèi)容包括：

掌握ADS原理驗(yàn)證裝置初步設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。完成可視化靶區(qū)熱態(tài)流場研究。完成ADS安全仿真分析。

建設(shè)重金屬（鉛鉍合金）熱工水力實(shí)驗(yàn)回路，并在鉛鉍合金熱工裝置上建設(shè)鉛鉍合金腐蝕回路和配套測量設(shè)備等。

完成“啟明星”1號上的次臨界中子學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、ADS束功率與堆功率關(guān)系研究、長壽命核素嬗變實(shí)驗(yàn)研究。

開展高功率靶及冷卻系統(tǒng)預(yù)研。

完成ADS專用數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和檢驗(yàn)。

利用建成并運(yùn)行的RFQ質(zhì)子加速器，進(jìn)一步提高其工作比，開展低能強(qiáng)流束傳輸測量與物理研究，掌握控制束流損失的關(guān)鍵技術(shù)，為強(qiáng)流加速器的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供物理與技術(shù)基礎(chǔ)。

離子源達(dá)到新水平：能量75 keV，引出氫束流大于100 mA，聚焦脈沖束發(fā)射度εn·rms≤0.2π mm· mrad，可靠性實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時間200 h。完成新的束流脈沖化方法研究。

系統(tǒng)研究模擬ADS工況條件下靶材料及結(jié)構(gòu)材料輻照效應(yīng)微觀機(jī)理、與冷卻劑的相容性和腐蝕機(jī)理，以及輻照與腐蝕條件下材料熱物性和力學(xué)等行為，最終建立較為完整的ADS材料輻照效應(yīng)和相容性數(shù)據(jù)庫，為材料使用壽命和危險性評估、材料篩選、抗輻照和抗腐蝕新材料研制、ADS設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和建設(shè)性建議。

完成干法后處理技術(shù)方案的篩選，確定干法后處理的主工藝路線，并開展α密閉鈾钚分離實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證研究。

實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)后，將利用可以調(diào)用的加速器資源進(jìn)行小規(guī)模系統(tǒng)集成，建設(shè)由束流功率100～200 kW級的強(qiáng)流質(zhì)子加速器和熱功率5 MW左右的熱堆以及靶系統(tǒng)組成的小規(guī)模ADS系統(tǒng)集成裝置——“啟明星”2號。

加速器超靈敏質(zhì)譜技術(shù)裝置

5　ADS研發(fā)與國內(nèi)核能發(fā)展相關(guān)計劃的關(guān)系

5.1ADS研發(fā)和快堆發(fā)展計劃的關(guān)系

ADS和快堆均具有核燃料增殖和核廢料嬗變的能力，ADS具有更高的中子余額和更硬的中子能譜，與臨界快堆相比， 這對增殖和嬗變更加有利。

從技術(shù)發(fā)展的角度看，快堆在技術(shù)上更加成熟，國際上已有建造和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)， 鈉冷快堆有300堆·年的成功運(yùn)行歷史，LEB冷快堆有80堆·年的歷史。我國目前處于鈉冷實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)階段，預(yù)計在2035年左右可以投入商用。而ADS系統(tǒng)我國目前處于基礎(chǔ)研究的階段，在國際上10年之內(nèi)可望建成實(shí)驗(yàn)堆。

研究表明，加速器驅(qū)動的快堆是一種比較理想的選擇。因此，快堆技術(shù)發(fā)展是ADS開發(fā)的一個必經(jīng)的階段， 并對ADS提供有力的技術(shù)支撐。ADS研究將涉及新型冷卻劑的開發(fā)等問題， 可以推動快堆本身技術(shù)的發(fā)展。

從我國核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的地位來看，快堆側(cè)重于核燃料的增殖，ADS側(cè)重于核廢料的嬗變是比較合理的選擇。

從能源需求的壓力和大規(guī)模發(fā)展核電帶來資源的壓力來看，快堆越早投入商用對加快商業(yè)推廣的速度越有利。如果快堆在2035年左右投入商用，應(yīng)該主要發(fā)揮其增殖的能力以加快其推廣的速度。如果希望快堆兼顧增殖和嬗變能力，則一是增加了在工藝上的難度，延緩其商用的時間；二是LLFP的嬗變是以消耗本可用于增殖的中子為代價的，兼顧嬗變將會犧牲快堆的增殖能力，增加快堆的倍增時間，從而減緩快堆的商業(yè)推廣的速度。

從技術(shù)的層面分析，ADS由于能譜更硬、中子余額更多，是最理想的嬗變裝置，一個優(yōu)化設(shè)計的ADS其支持比可以達(dá)到12左右，即部署一個ADS就可以嬗變12個同樣規(guī)模的PWR核電站產(chǎn)生的長壽命放射性廢料。ADS裝置在工程應(yīng)用方面面臨的最大問題是驅(qū)動加速器的穩(wěn)定性，但對于嬗變來說，這個問題的重要性降低了。

5.2ADS研發(fā)和聚變堆發(fā)展計劃的關(guān)系

聚變堆是未來可能發(fā)揮重要作用的能源系統(tǒng)，在現(xiàn)在部署其開發(fā)是完全必要的。

聚變能替代裂變能的時間表取決于兩個因素。一個因素是聚變堆本身技術(shù)成熟到可以商用。另一個因素是其與其他能源系統(tǒng)比較，經(jīng)濟(jì)上必須具有競爭性，這只有在裂變能資源耗盡或燃料成本上升到無法接受的水平時才有可能。如果引入快堆，即使不考慮釷資源的利用問題，則保守的估計，天然鈾資源可以支持裂變能維持?jǐn)?shù)百年的發(fā)展。

按照核電發(fā)展規(guī)劃，到2020年我國核電發(fā)展目標(biāo)是運(yùn)行裝機(jī)容量4 000萬kW，在建裝機(jī)容量1 800萬kW。即使以后不再新建PWR核電站，到2030年也將有6 000萬～8 000萬kW的PWR核電站在運(yùn)行。這些核電站產(chǎn)生的長壽命放射性廢料必須有一個安全、經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)實(shí)的處置方案。

因此聚變能發(fā)展的計劃應(yīng)該對化學(xué)分離+ADS嬗變的計劃并沒有限制性的影響。

5.3ADS研發(fā)和核燃料循環(huán)及核廢物管理及處置計劃的關(guān)系

引入ADS系統(tǒng)實(shí)施P&T戰(zhàn)略并不能消除地質(zhì)儲存的必要性，但使得地質(zhì)儲存在技術(shù)上更加容易、更加安全、更加經(jīng)濟(jì)。

假定ADS在乏燃料中去掉99.9%的TRU，95%的Tc和I，假定ADS廢料形態(tài)的稀釋特性與HLW玻璃廢料形態(tài)相同，假定鈾和钚的回收率為99.9%，則ADS可以減少場址的有效劑量1 000倍，從而降低地質(zhì)儲存場址的要求，降低地質(zhì)儲存場址的費(fèi)用。

乏燃料中有裂變材料，在場址核廢料包裝設(shè)計的一個限制就是臨界性控制。ADS從廢料中去掉了大部分裂變材料，明顯減少了臨界風(fēng)險。

帶有燃料處理廠的ADS單元可以減少高放廢料HLW運(yùn)輸?shù)臄?shù)量，從而減少費(fèi)用。

化學(xué)分離+ADS嬗變可以將待地質(zhì)處置的廢物量減容至少5倍。

6　結(jié)論

裂變能可持續(xù)發(fā)展的一個重要的限制性因素是如何解決核廢物的最少化問題，分離-嬗變戰(zhàn)略可以解決這一問題。

在國家“973計劃”的支持下，國內(nèi)已經(jīng)形成了一支ADS的研發(fā)力量并有很好的研究基礎(chǔ)，形成了與國際研究基本同步的態(tài)勢，中斷這一研究工作甚為可惜，應(yīng)該繼續(xù)從多種渠道支持開展ADS的研發(fā)。

由于ADS技術(shù)發(fā)展的不確定性，為了減少決策的風(fēng)險，下一個五年階段的R&D是極其重要的。應(yīng)該開展單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究，確定系統(tǒng)的主要技術(shù)選擇，并進(jìn)行小尺度的技術(shù)集成。

為了對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破，在這一階段進(jìn)行重金屬（鉛鉍合金）熱工水力實(shí)驗(yàn)回路、“啟明星”2號等實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)是非常必要的。

目前，國際ADS研究處于從基礎(chǔ)研究向小規(guī)模系統(tǒng)集成過渡的階段，由于尚未涉及太多的商業(yè)秘密，正是開展國際合作的最佳時機(jī)。應(yīng)該抓住有利時機(jī)，將ADS研發(fā)列入國際合作計劃，大力鼓勵和全方位地參與國際合作，加快對ADS關(guān)鍵技術(shù)的掌握。

中圖分類號：TL50

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1617（2009)03-0202-10

收稿日期：2008-09-16

作者簡介：趙志祥（1950—），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士學(xué)位，中國原子能科學(xué)研究院院長，從事ADS和中子物理學(xué)研究。

Study on ADS and the sustainable development of nuclear energy.

ZHAO Zhi-xiang，XIA Hai-hong
(China Institute of Atomic Energy，P. O. Box 275-1， Beijing 102413，China)

Abstract:The minimization of nuclear wastes is the key problem to be tackled for the long term and sustainable nuclear energy development. Accelerator driven sub-critical system （ADS) is a kind of high efficient nuclear waste transmutation machine （or incinerator)， which is the key technique to solve the nuclear waste problem. The basic theory of ADS and driven influence of ADS on the advanced accelerator， advanced cooling technique etc. are introduced in the paper. Meanwhile the present research situations of ADS in some countries are compared. At last， the key problems of the ADS development and the relationship between ADS and the development of nuclear energy in China are discussed.

Key words:nuclear energy； ADS； transmutation