未来先进核裂变能——ADS嬗变系统*

詹文龙 徐瑚珊

（1中国科学院 北京 100864 2中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

1 核能是保障我国经济社会可持续发展的重要能源

1.1 核能是技术成熟的清洁能源

环境、能源与资源是人类生存和长期持续发展的基础。煤炭、石油、天然气等传统的化石能源支撑了19世纪以来人类文明的快速进步和经济社会发展。然而，据世界能源会议统计，探明可采石油、天然气和煤炭储量分别为1211亿吨、119万亿立方米和15980亿吨，预计还可开采30—40年、60年和200年。我国一次能源生产总量及其构成中化石能源约占92%[1]，单一的能源消费结构导致能源供应面临潜在危机。同时，化石能源消费带来大量温室气体等有害物质的排放。一座百万千瓦级的煤电厂每年要消耗约300万吨原煤，释放SO22.6万吨、NOx1.4万吨、CO2600万吨、飘尘0.35万吨，对环境造成极大威胁和损害。因此，发展清洁能源成为全球能源发展的优先选择。

目前，水电和核能总体上已经具有大规模生产能源的成熟技术，同时在电价上具有竞争力，是发展清洁替代能源的两种较为现实的选择。

1.2 发展核能是我国能源可持续发展战略的重要内容

我国在2005年明确提出了积极发展核电的战略方针，2007年国务院颁布了《核电中长期发展规划（2005—2020年）》，计划到2020年核电运行装机容量争取达到4000万千瓦，2020年末在建核电容量应保持在1800万千瓦左右。虽然2011年日本的福岛核电站核泄漏事故引发了全球对核电安全问题的反思，也使中国核电发展“减速”，但作为能源消费大国，发展核能在中国经济社会可持续发展中的重大战略性地位没有改变。2011年12月，国家能源局正式发布了 《国家能源科技 “十二五”规划（2011—2015）》，将核能作为新能源领域的首要技术手段进行规划，提出了未来核能发展方向。2012年1月16日，国务院总理温家宝在世界未来能源峰会上表达了中国政府对核电的态度：安全高效地发展核电，是解决未来能源供应的战略选择。在2012年“两会”的政府工作报告中，首次将“安全高效发展核电”写入政府工作报告。作为中国经济发展能源的必然选择，核能发展必将迎来新的春天。

2 核能长期持续发展必须实现核废料的安全处置

2.1 核乏料的产生

自然界中，易裂变的铀-235（235U）的天然丰度仅为0.72%，铀-238（238U）为99.28%。轻水堆作为目前核能发电的主要堆型，主要采用235U含量为3.5%左右的铀为核燃料。当反应堆运行至235U浓度降到一定程度后，核燃料就需卸出，成为核乏料，以一座百万千瓦的反应堆估算，其中包括可循环利用的235U和238U约23.75吨、钚（Pu）约200公斤、中短寿命的裂变产物约1吨、次锕系核素 （MA,Minor Actinides）约20公斤、长寿命裂变产物（LLFP,Long-Lived Fission Product）约30公斤。对乏燃料的潜在危害性分析表明，其远期风险主要来自MA和LLFP，需经过衰变几万甚至几十万年，其放射性水平才能降到天然铀矿的水平。

随着我国压水堆核电站装机容量的增长，核废料的累积量将快速增加。如果2030年核电装机容量达到8000—10000万千瓦，届时乏燃料累积存量将达到2万—2.5万吨，其中所含Pu 160—200吨，MA 16—20 吨，LLFP 24—30 吨。

2.2 核乏料的处理策略

国际上现有“开环”和“闭式”两种核燃料循环模式。在开环模式中，核乏料在经冷却和封装后即被深埋于地层深处，因此也被称为 “一次通过”模式。这种模式相对费用较低，特别是未对其中的Pu进行分离，可防止核扩散；但由于需要在地质层中长期存放，其环境风险无法预期和有效控制，同时还不可避免地浪费核燃料和其他同位素等宝贵资源。闭式循环则是将核乏料通过后处理分离出其中的铀和钚并再次制成核燃料使用，对MA和LLFP则进行地质深埋处置。这种模式在提高核资源利用效率的同时，还可大幅减少高放射性核废料的处置量。目前，由于处置简单和低成本（不考虑对环境的长期影响），大多数的核裂变能应用采取 “一次通过”政策，部分发达国家则一直坚持闭式循环研究，长期发展后处理技术、混合氧化铀钚（MOX）燃料技术等关键技术，目前发展到可商业应用的水平。

随着加速器技术的发展，上世纪90年代核物理学家又提出了更为先进核废料处理策略，即分离-嬗变（P-T,Partition-Transmutation）战略，其核心是在闭式循环的后处理分离基础上，进一步利用核嬗变反应将长寿命、高放射性核素转化为中短寿命、低放射性的核素。研究表明，长寿命高放射性核废料的放射性水平经过嬗变处理后，可在约700年内降低到普通铀矿的放射性水平，仍需地质深埋处理的核废料体积比闭式循环模式可再减小5倍以上。这种方案基本上可解决地质存储的核废料容器和地质条件存在的问题。目前，P-T战略在国际上也还处在研究阶段。3种燃料循环模式的原理过程如图1所示。

3 ADS是安全处置核废料的首选技术途径

ADS系统是上世纪核科学技术发展中两大工程——加速器和反应堆的“结合体”，能够将长寿命高放核废料嬗变成短寿命核废料，同时减小体积，被认为是最有效的核废料处置技术方案，目前世界上尚无建成先例。ADS的基本原理是，首先利用加速器产生的高能质子束轰击重金属靶引起散裂反应，然后以宽能谱的散裂中子作为外中子源驱动和维持次临界堆芯中的核嬗变反应，同时得到能量输出和一定核材料，如图2所示。

图1 3种燃料循环模式的原理过程

图2 ADS系统的原理示意图

ADS系统有4个重要的特点：（1）优良的系统安全性。一旦切断外源中子的驱动，次临界系统内的核反应随即停止，具有固有安全性；（2）强大的嬗变能力。能量为1 GeV的质子在重金属靶上产生约数十个中子加上次临界堆数十倍的放大效应，因此ADS系统在原理上具有强大的核废料嬗变能力；（3）好的中子经济性。加速器打靶直接产生的散裂中子能谱分布很宽，几乎可将所有长寿命的锕系核素转化为可裂变的资源，中子经济性明显好于其他已知的临界堆；（4）高的支持比。由于能谱更硬、中子余额更多，一个优化设计的ADS系统其支持比可达到10左右 （即一个约80万千瓦的ADS系统可以嬗变10个左右百万千瓦规模的压水堆核电站产生的长寿命放射性废料），而快堆由于受到运行稳定性的要求只能嬗变约2—5个压水堆的核废料。因此，ADS系统是目前嬗变放射性核废料、有效利用核资源及产出核能量的强有力工具，是裂变核能可持续发展的优先技术途径。

4 国内外ADS发展计划

欧盟各国、美、日、俄等核能科技发达国家均制定了ADS中长期发展路线图。欧盟充分利用现有核设施，合作开展实验研究，设立了以诺贝尔物理学奖获得者Carlo Rubbia为首的7国16人顾问组，制订和提出了EUROTRANS计划，并在欧盟F6框架下支持了40多个大学和研究所参与，将原来的XADS方案进行了扩展，形成：（1）50—100MW的原理示范装置XT-ADS的先进设计；（2）由16MW加速器驱动的数百MW嬗变堆（含铅靶）的欧洲工业废料处理堆EFIT的概念设计。MUSE计划基于法国的大型快中子零功率实验装置开展ADS中子学研究；MEGAPIE计划利用瑞士保罗谢勒研究所 （PSI）的强流质子加速器开展MW级液态Pb-Bi冷却的散裂靶研究，法国的IPHI和意大利的TRASCO项目关注强流质子加速器研究。比利时核能研究中心（SCK·CEN）的MYRRHA计划，期望2023年左右建成由加速器驱动的铅铋合金（Pb-Bi）冷却的快中子次临界系统，其主要设计指标为反应堆 50—100MWt、强流加速器600MeV/3mA，铅铋合金作为靶和冷却剂，目前该计划仍在设法筹集和落实经费。

美国通过早先实施的加速器生产氚的APT计划，在强流质子加速器方面有较多的技术储备。1999年制订了加速器嬗变核废料的ATW计划，从2001财年开始实施先进加速器技术应用的AAA计划，全面开展ADS相关的研究，作为美国先进核燃料循环系统AFCI的有机组成部分。当前洛斯阿拉莫斯国家实验室 （LANL）又提出了SMART计划，研究核废物的嬗变方案；费米实验室计划建造的多用途高能强流质子加速器Project-X，除高能物理研究外，也打算将ADS的应用纳入其中。

日本1988年启动了最终处置核废料的OMEGA计划，认为ADS是嬗变MA的最佳选择，后期集中于ADS开发研究。2009年由日本原子能机构和高能加速器研究机构联合建造了日本强流质子加速器装置（J-PARC），进一步将直线加速器能量提高到600MeV，可开展ADS实验研究，包括材料和ADS中子学研究等。

俄罗斯理论与实验物理研究所（ITEP）于上世纪90年代与美国LANL合作开展ADS开发工作。1998年俄联邦原子能工业部决定启动ADS开发计划，工作内容涉及ADS相关核参数的实验、理论研究与计算机软件开发、ADS实验模拟试验装置的优化设计、1 GeV/30 mA质子直线加速器的发展、先进核燃料循环的理论与实验研究等。俄罗斯还比较重视ADS的新概念研究，典型的有快-热耦合固体燃料ADS次临界装置概念设计、快-热熔盐次临界装置概念设计等。

另外，韩国和印度等国也均有ADS的研究开发计划。国际上部分ADS装置的设计指标参数参见表1。

20余年的研究使国际上的ADS系统从概念研究进入物理过程、关键技术和部件研究及核能系统集成方案研究，下一步是建设小尺度系统集成装置，为建设工业示范装置奠定技术基础和积累运行经验，但目前欧美经济危机将影响到该研究进展。

表1 国际ADS设计一览表（部分）

我国从上世纪90年代起开展ADS概念研究，与核能科技先进国家相比，虽然起步较晚，但长期的核科学基础研究和核电发展使我国在加速器、反应堆等方面具有一定的技术积累，且很好地借鉴了国外的先进经验。在科研人员努力下，我国ADS研究有望通过3—5年的努力达到国际先进水平。

1999年起开始实施“973”项目“加速器驱动的洁净核能系统（ADS）的物理和技术基础研究”，中国原子能研究院和中科院高能所共同建成了快-热耦合的ADS次临界实验平台、ADS专用中子和质子微观数据评价库、加速器物理和技术、次临界反应堆物理和技术等方面的探索性研究取得一系列成果。此外，中科院还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”。

5 实施中科院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能”

中科院通过多次院士咨询[2]，对ADS发展前景进行了全面的分析评估，认为：从我国裂变核能可持续发展战略中的地位来看，快堆侧重核燃料增殖，ADS侧重核废料嬗变，是比较合理的选择。考虑到我国核废料累积的增长速度，ADS系统在2035年左右投入实际使用是必要的，因此必须加快部署和推动ADS的研发进程。

2010年3月31日国务院第105次常务会议，审议并原则同意中科院提出的“创新2020”规划，其中一项重要举措就是实施战略性先导科技专项。经过2009—2010年全面深入的酝酿和凝练，并经数轮高层次专家的咨询评议，2011年1月11日的中科院院长办公会议审议批准 “未来先进核裂变能”作为A类战略性先导科技专项实施。该先导专项由ADS嬗变系统和钍基熔盐（TMSR）核能系统两大部分组成。其中ADS嬗变系统面向我国核能发展战略需求，针对核裂变能可持续发展中核废料安全处置这一世界性难题，以ADS嬗变核废料为切入点，开展相关科学问题和关键技术问题的前瞻基础研究，同时建设创新团队和配套科研基地。

“ADS嬗变系统”设总体方案及相关基础研究、质子直线加速器、液态金属散裂靶、铅铋冷却反应堆、平台及配套设施5个研究项目，主要由近代物理所、高能物理所、合肥物质科学院承担，院内其他相关研究单位参与。

“ADS嬗变系统”的最终目标是建成一个可用于工业推广的核废料ADS嬗变示范装置，包含强流质子加速器、液态金属散裂靶和液态金属冷却次临界堆3大子系统。考虑到其巨大的技术挑战性，计划分3阶段实施，如图3所示。

图3 ADS嬗变系统的研究发展路线图

第一阶段，主要是围绕ADS系统技术路线的选择开展研究。内容包括：搭建各种分立的小型实验系统，对相关科学问题和技术难点进行攻关，确定各系统技术路线；建成加速器、散裂靶、反应堆系统各自集成的子系统装置，主要设计指标为加速器质子束功率（＜250）MeV/（＜10）mA、反应堆功率（5—10）MWt；同时建成与之配套的超导测试平台、基本放化与核材料研究综合平台、铅铋堆芯模拟综合实验平台、ADS专用设计与数据库平台、综合测调支撑平台等条件支撑设施。

第二阶段，完成设计指标为质子束功率（0.6—1.0）GeV/10mA、堆功率约 100MWt的 ADS实验装置建设。

第三阶段，完成设计指标为质子束功率约1.5GeV/10mA、堆功率1000MWt的ADS示范装置建设。

6 ADS嬗变系统研究将充分发挥中科院综合优势

当前我国核工业系统承担的任务十分艰巨，一方面要在确保安全的前提下又好又快地建设新核电站，以满足我国迅猛增长的能源需求；另一方面要在引进、消化、吸收国外第三代核电技术的基础上，通过再创新形成我国自主产权的核能品牌；同时还需要研发第四代核电技术，如快中子堆、高温气冷堆等。“ADS嬗变系统”属未来先进核能科技，具有典型的战略性、前瞻性和基础性，还需长期的大量投入。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，由中科院牵头组织“ADS嬗变系统”研究，不仅可发挥其科技先导作用，也可与我国核工业系统形成合理分工、强强互补的格局。

核事业历来具有“高投入、高门槛、高回报、高风险”的特性，资源的集中配置和长期稳定支持是ADS嬗变系统最终取得重大突破的必要保障，其长期性和艰巨性决定了必须有效协调全国相关优势力量并形成优势互补的合作方能有所作为。ADS嬗变系统最终形成的系统技术，也将通过向核能系统转移来实现商业化应用和推广。

在前期准备过程中，中科院先后与国内外相关研究单位就各方面的合作进行了交流与沟通。例如，在国内，与中核集团、中广核、国家核电、清华核研院等单位合作开展反应堆设计、堆工物理、反应堆安全、核数据、反应堆中子学、辐照材料、核燃料、长寿命核废料分离与放射化学等方面的研究；国际上，与比利时SCK·CEN开展液态金属散裂靶以及其与反应堆和加速器耦合方面的研究合作，与瑞士PSI开展散裂靶及辐照材料方面的合作研究，与法国国家原子能委员会 （CEA）和国家科研中心（CNRS）开展强流质子加速器、放射化学、核燃料等方面的合作研究，与美国杰斐逊国家实验室（J-Lab）、橡树岭国家实验室（ORNL）等开展强流质子加速器及散裂靶方面的合作研究，与日本原子能研究开发机构（JAEA）等合作开展材料及液态金属回路方面的合作研究等等。

通过ADS嬗变系统的研究，将使我国在“核废料安全处置”这一解决核能高速发展所面临的瓶颈问题的研究方面达到世界领先水平，在先进核能领域形成一支国际水平的创新研究队伍，提升我国核能领域的自主创新能力，并开辟和平和长期可持续利用核能的新途径。

60多年来，中科院曾经取得了诸如“两弹一星”等的系列重大科研成果，为我国的科技事业、国民经济和社会发展及国防建设做出了重要贡献。通过组织实施“未来先进核裂变能”战略性先导科技专项，中科院将把握历史契机，为我国核科技事业、国家能源安全和核能可持续发展再次做出重大贡献。

1 华贲.产业结构、能效及一次能源构成对能源强度的影响分析.中外能源，2010,15(5):1-7.

2 方守贤,王乃彦,何多慧等.关于加速器驱动次临界系统（ADS）研发促进我国核能可持续发展的建议.中国科学院院刊，2009,24(6):641-644.