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啟明星Ⅱ號
Ⅱ號
“太過先進，無法展示”？！近日，微信上一篇關于加速器驅動次臨界系統(tǒng)（ADS）的文章引發(fā)熱議。ADS是個什么鬼？到底有多先進，以至于無法展示？這項核能新技術靠譜嗎？《中國科學報》記者帶著這些問題采訪了從事ADS研究的有關專家。
最具潛力的核廢料嬗變裝置
“因為這個新興研究方向還不為人所知，才會弄出‘太過先進，無法展示’的爭議話題。”中核集團中國原子能科學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世紀核科學技術發(fā)展的兩大工程技術——加速器和反應堆技術。
ADS裝置由強流質子加速器、重金屬散裂靶和次臨界反應堆三大分系統(tǒng)組成，其原理是利用加速器產生的高能質子轟擊重金屬靶，產生散裂中子，作為外中子源以驅動次臨界反應堆，與次臨界反應堆內的核材料發(fā)生核反應，維持次臨界反應堆的穩(wěn)定運行。
史永謙告訴記者，目前國際上重點是利用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物能力強的特點，利用它對核廢料進行嬗變處理，可大幅降低核廢料的放射性危害，實現核廢料的最小化處置，同時可實現能量放大，提高核資源的利用率。
“ADS的次臨界反應堆還可以發(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的比例為20%估算，2030年核電裝機容量將達到150-200百萬千瓦，屆時乏燃料累積存量將達到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家Carlo Rubbia上世紀90年代初提出的“能量放大器”的基礎上發(fā)展起來的。“能量放大器”的概念一經提出，就受到國際核能界的極大關注，核能國家都進行了研究。
“我國起步并不晚。”史永謙從上世紀90年代起參與ADS研究。他回憶說，當時中科院院士丁大釗、何祚庥和方守賢等科學家認為“這是很有前途的一個方向，可以發(fā)展，應積極推動我國ADS研究”。后在香山會議上，時任中國工程院副院長師昌緒提出，“ADS技術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施了兩期關于ADS基礎研究的“973”項目，在強流ECR離子源、ADS專用中子和質子微觀數據評價庫、次臨界反應堆物理和技術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構開展ADS試驗研究的基準裝置。
與此同時，中科院重點支持了超導加速器技術研發(fā)，并結合相關研究所的優(yōu)勢，部署了重大項目“ADS 前期研究”。
“起初許多人并不看好ADS，但隨著研究的推進，大家覺得這個方向還是很有前途的。”史永謙說。
2011年，中科院根據我國核能可持續(xù)發(fā)展的重大需求與已有研發(fā)布局，結合國際發(fā)展態(tài)勢，從技術可行性出發(fā)，提出了我國ADS發(fā)展路線圖：第一階段為原理驗證階段，即建立加速器驅動嬗變研究裝置；第二階段為技術驗證階段，即要建立加速器驅動嬗變示范裝置；第三階段為工業(yè)推廣階段。
同年，中科院啟動戰(zhàn)略性先導專項“未來先進核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”，旨在通過3個階段的研發(fā)，自主發(fā)展ADS從試驗裝置到示范裝置的全部核心技術和系統(tǒng)集成技術。
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，作為負責任的發(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“加速器驅動嬗變研究裝置”(CIADS)立項，項目建成后將成為世界上首個兆瓦級加速器驅動次臨界系統(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)達國家均有對ADS的長中期發(fā)展計劃，正處在從關鍵技術攻關逐步轉入建設系統(tǒng)集成的ADS原理驗證裝置階段。
“從技術發(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”的結構，以不同富集度的固體鈾棒柵作為核燃料，以水或鉛為介質的多功能反應堆物理綜合實驗研究平臺。
“所謂零功率反應堆，指的是運行功率一般只在千分之一瓦到幾十瓦之間的研究試驗反應堆。”原子能院反應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洞。任何一種新堆型的物理設計，都需要在零功率堆上進行研究和優(yōu)化。”
在很多專業(yè)人士看來，ADS的難度堪比“兩彈一星”，沒有任何的經驗可學習借鑒。“反應堆和加速器都是很大的工程，兩個聯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。
中國是世界上首個開展ADS系統(tǒng)大工程項目研制的國家。目前國際上尚未有ADS嬗變系統(tǒng)工程化應用的先例，“啟明星Ⅱ號”將為ADS嬗變系統(tǒng)工程化研究提供關鍵實驗數據。
“啟明星Ⅱ號”首次實現臨界后，研究團隊立即針對ADS特有的重金屬散裂靶與次臨界反應堆的耦合特性以及靶和緩沖區(qū)對反應堆的影響等重要課題，在兩個堆芯上分別進行系統(tǒng)性的驗證實驗研究。因為他們相信：“雖然離工程化應用還很遠，但不能說ADS技術沒有用、不可行。”
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