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原标题:一项无法展现的先进手艺,获批立项

浏览次数:87 时间:2019-10-02

近日,国家重大科技基础设施“加速器驱动嬗变研究装置”由国家发改委批准立项。

“太过先进,无法展示。”

加速器驱动嬗变研究装置(ChinaInitiativeAcceleratorDrivenSystem,简称CIADS)是国务院发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030)》“十二五”优先安排建设的16个重大科技基础设施之一。

近日,微信上一篇关于加速器驱动次临界系统的文章引发热议。ADS是什么?到底有多先进,以至于无法展示?这项核能新技术靠谱吗?《中国科学报》记者带着这些问题采访了从事ADS研究的有关专家。

2011年1月,中国科学院批准实施A类战略性先导科技专项“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”。先导专项针对ADS嬗变系统的原理及关键技术开展攻关研究,并建设配套平台和培养核能人才。通过4年多的艰苦攻关,在超导直线质子加速器、重金属散裂靶、次临界反应堆的设计、关键部件与样机研制等方面取得了突破性进展。在此基础上,不断优化完善CIADS的方案设计和技术路线,为建成国际上首个ADS嬗变技术的集成验证装置打下了坚实的基础。

最具潜力的核废料嬗变装置

从2010年开始,科研人员在全国范围内进行了广泛选址和实地踏勘调研,并贯彻与核电协同发展的理念,最终于2014年选定广东省惠州市惠东县东南沿海地区为CIADS建设地址。2014年6月,中科院与广东省人民政府签署了CIADS项目共建框架协议,标志着CIADS正式落户广东。

“因为这个新兴研究方向还不为人所知,才会弄出‘太过先进,无法展示’的争议话题。”中核集团中国原子能科学研究院研究员史永谦迫不及待地给记者做起科普。

CIADS作为我国加速器驱动先进核能系统的燃烧器部分,将深入探索核废料嬗变过程中的科学问题,突破系列核心技术,检验系统稳定性和可靠性,为未来工业示范装置奠定基础。CIADS主要由超导直线强流质子加速器系统、次临界快中子反应堆系统、高功率重金属散裂靶及其配套系统等组成。

ADS装置由强流质子加速器、重金属散裂靶和次临界反应堆三大分系统组成,其原理是利用加速器产生的高能质子轰击重金属靶,产生散裂中子,作为外中子源以驱动次临界反应堆,与次临界反应堆内的核材料发生核反应,维持次临界反应堆的稳定运行。

CIADS项目法人单位是中科院广州分院,共建单位是中科院近代物理研究所,合作单位是中科院高能物理研究所、中科院合肥物质科学研究院、中国原子能科学研究院、中国广核集团等。项目投资17.995亿元(含中科院配套资金5000万元),广东省负责配套设施建设,建设周期为6年。

史永谦告诉记者,目前国际上重点是利用ADS嬗变的作用。

CIADS建成后将是世界上首个兆瓦级加速器驱动次临界系统研究装置,将使我国率先掌握加速器驱动次临界系统集成和核废料嬗变技术,打造一支具有国际领先水平的先进核能科技研发队伍。

核燃料使用到一定程度后就需卸出,成为乏燃料。乏燃料的安全处理和处置是我国乃至国际核能界无法回避的重大问题,也是尚未解决的世界性难题。

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中科院合肥物质研究院研究员吴宜灿在《工程学》上撰文指出,由于ADS具有中子能谱硬、通量高、能量分布范围广,次锕系核素嬗变和长寿命裂变产物能力强的特点,利用它对核废料进行嬗变处理,可大幅降低核废料的放射性危害,实现核废料的最小化处置,同时可实现能量放大,提高核资源的利用率。

CIADS装置初步布局效果图

“ADS的次临界反应堆还可以发电,等于将核废料变成了可以用于发电的核燃料,且发电后产生的废料可以相对安全地处理。”史永谦说。

据估算,2030年核电装机容量将达到150—200百万千瓦,届时乏燃料累积存量将达到2.35万吨左右。乏燃料特别是其中的长寿命高放射性核废料的安全处理处置,将成为影响我国核电可持续发展的瓶颈问题之一。

原子能院研究员朱庆福表示,作为国际上公认的最具潜力的核废料嬗变装置,ADS将在我国核能大规模可持续发展的闭式燃料循环战略中发挥重要作用。

探索先进核能系统的战略性举措

ADS的概念最早是在意大利科学家Carlo Rubbia上世纪90年代初提出的“能量放大器”的基础上发展起来的。

“我国起步并不晚。”史永谦从上世纪90年代参与ADS研究。他回忆说,当时中科院院士丁大钊、何祚庥和方守贤等科学家认为“这是很有前途的一个方向,可以发展”,应积极推动我国ADS研究。

“起初许多人并不看好ADS,但随着研究的推进,大家觉得这个方向还是很有前途的。”史永谦说。

2011年,中科院提出了我国ADS发展路线图:第一阶段为原理验证阶段,即建立加速器驱动嬗变研究装置;第二阶段为技术验证阶段,即要建立加速器驱动嬗变示范装置;第三阶段为工业推广阶段。

同年,中科院启动战略性先导专项“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”,旨在通过3个阶段的研发,自主发展ADS从试验装置到示范装置的全部核心技术和系统集成技术。

中科院院士詹文龙表示,我国长期持续开展ADS研究,是在国际核能发展大局下,作为负责任的发展中大国,对核废料处理处置提前布局谋篇的战略性举措。

难度堪比“两弹一星”

纵观全球,欧盟各国以及美、日、俄等核能科技发达国家均有对ADS的长中期发展计划,正处在从关键技术攻关逐步转入建设系统集成的ADS原理验证装置阶段。

“从技术发展阶段来看,中国的ADS发展处在第二阶段,与世界先进ADS研发国处于同一发展阶段。”朱庆福说。

去年年底,我国首座铅基反应堆零功率装置“启明星Ⅱ号”的成功建成就是第二阶段的重要成果。“启明星Ⅱ号”创新地采用了水堆和铅堆“双堆芯”的结构,以不同富集度的固体铀棒栅作为核燃料,以水或铅为介质的多功能反应堆作为物理综合实验研究平台。

“所谓零功率反应堆,指的是运行功率一般只在千分之一瓦到几十瓦之间的研究实验反应堆。”原子能院反应堆物理研究室理论组组长周琦解释说,“它的主要用途是获取新的知识,就像航空工程中的风洞。任何一种新堆型的物理设计,都需要在零功率堆上进行研究和优化。”

在很多专业人士看来,ADS的难度堪比“两弹一星”,没有任何的经验可供学习借鉴。“反应堆和加速器都是很大的工程,两个联系到一起涉及到很多新的问题。”原子能院高级工程师张巍坦言。

中国是世界上首个开展ADS系统大工程项目研制的国家。目前国际上尚未有ADS嬗变系统工程化应用的先例,“启明星Ⅱ号”将为ADS嬗变系统工程化研究提供关键实验数据。

(原载于《中国科学报》 2017-02-22 第1版 要闻)

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