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中国完成新核能系统实验验证: 可持续万年的战略能源 - ADANES
中国完成新核能系统实验验证: 可持续万年的战略能源 - ADANES
作者:何方 | 6/23/2017 7:45:08 PM | 浏览:618 | 评论:0

6月10日,中科院重磅宣布,中国科学家首次提出一种新核能系统——加速器驱动先进核能系统(ADANES,简称ADS),并用计算机模拟了该技术的关键部分,有望使核裂变能成为可持续近万年、安全、清洁的战略能源。

事实上这已经是ADS技术的第二次刷屏。早在去年12月23日,中国核工业集团公司网站发布消息,中国核反应堆零功率装置“启明星II号”实现首次临界。

对于大多数普通人来说,ADS是一个完全陌生,甚至是闻所未闻的技术。在这种技术面前,困扰人类的乏燃料处理问题,铀资源短缺问题,未来能源问题,似乎都不再是问题,简直神乎其技。但是ADS倒是是什么技术,是如何实现对乏燃料的高效利用的,这种技术什么时候能成熟,别急,我们为你一一解读。

1   需要不断添柴的火堆


ADS全称是“(质子)加速器驱动次临界(嬗变反应堆)系统”,顾名思义,该装置是用质子加速器驱动的,自身处于次临界状态的,可以实现多种重核元素嬗变的反应堆系统。

ADS本质上就是一个反应堆,也就是我们日常理解的核电站中那种靠核裂变反应释放核能的反应堆。但是这种反应堆有个特点,即自身处于次临界状态。

什么是次临界?用火堆来打个比方。一个火堆,我们不管它,如果它越烧越旺,这就叫做超临界,如果它一直处于不旺也不灭的稳定状态,这就叫临界,如果必须为它添柴,否则它就熄灭,这就叫做次临界。

中国完成新核能系统实验验证: 可持续万年的战略能源 - ADANES

ADS的主要结构就是一台质子加速器和一座次临界反应堆。

次临界反应堆就是这种不加外部干预就会熄火的反应堆。知道,普通反应堆内靠中子维持裂变反应,中子就相当于维持反应堆燃烧的“柴”,普通反应堆的链式反应会持续不断的产生中子,使得反应堆一直处于临界状态,源源不断地输出巨大的裂变能。而ADS中的次临界反应堆不一样,它虽然在裂变反应中产生中子,但是同时会产生大量的中子吸收物质,使得该反应堆不能靠自身的中子维持燃烧状态,要维持“燃烧状态”,就必须补充外源中子,如何补充外源中子呢?这就靠质子加速器了。

质子加速器是ADS的另外一大神器。次临界反应堆堆芯中设有金属中子靶,反应堆外部设有质子加速器,这就构成了一个“中子生成器”,源源不断的向“燃烧着的”反应堆里填“柴”。质子加速器能将质子加速至高能状态,然后导入反应堆,当高能质子轰击金属靶时,金属靶的金属原子核被击碎,即发生散裂反应,此反应中,会生成大量的中子。质子加速器轰击生成中子的效率极高,一个质子可以在金属靶上生成约30个中子。这些中子在次临界反应堆堆芯散开,就像给即将熄灭的火堆上浇上一桶汽油,反应堆瞬间如打了鸡血运行起来,和普通反应堆一样产生大量的裂变能发电。

2   处理乏燃料的焚烧炉


有人可能会问,为什么要发展这种特立独行的反应堆呢?这就谈到了ADS的最重要作用,处理乏燃料。

所谓乏燃料,就是普通反应堆“燃烧”核燃料后产生的废弃物。乏燃料含有大量高放射性物质,这些物质主要上是锕系和镧系的重核元素,这些元素不仅放射性强,而且半衰期也很长,需要存放十万年这些元素才能衰变至对环境不产生影响。为了长时间存放这些高放射性乏燃料,必须建造寿命达十万年之久的坚固掩体,这也就是俗称的乏燃料地质深埋处置方式,这是一项技术难度极大,耗资也极其巨大的工程。

例如,芬兰正在建造的乏燃料地质贮存场预计耗资达40亿欧元以上,且仅仅够贮存芬兰的四座核电站的乏燃料。美国的尤卡山地质贮存场也耗资300亿美元以上。面对世界上巨量的乏燃料,如果单靠地质处置,不仅技术困难,而且耗资将是一个天文数字,几乎成为各国核电发展不可承受之重。

同时,所谓乏燃料,其实其中还有大量的有用元素,如钚和铀等,若直接废弃,将是资源的极大浪费,所以普通反应堆产生的乏燃料依然是宝贵的资源。但是目前的后处理器技术,从乏燃料中提取钚和铀不仅风险高,效率低,而且还会产生大量的化学放射性废液,这些废液处理也是一个棘手问题。

如何让乏燃料的放射性短时间内消失,同时又能高效利用乏燃料中的有用元素且不产生新的废物呢?这就得靠ADS技术了。

ADS技术,正是为了解决以上问题而提出来的。ADS好比一个乏燃料焚烧炉在外源中子的轰击下,它能将几乎所有锕系和镧系重核元素作为裂变元素利用,这些元素裂变后生产的轻核元素,要么是无放射的元素,要么是半衰期很短的放射性元素。因此,经过ADS焚烧过的乏燃料,只需要贮存几百年,其放射性即可降低至对环境不产生影响的程度,大大缩短了乏燃料的存放周期和处理难度。

同时,作为一个反应堆,ADS也同样利用各种重核发生裂变反应的核能发电,实现了乏燃料中有用元素的高效利用。

相比目前乏燃料地质贮存需要建造寿命达10万年的坚固掩体,有了ADS技术后,只需建造寿命几百年的掩体存放在ADS焚烧后的乏燃料,掩体建造和技术难度和耗资都将有数量级的下降,使得乏燃料处理不再成为困扰人类的难题。

同时,由于ADS对乏燃料进行了充分的“焚烧”,使得乏燃料中几乎所有的有用元素如钚和铀都得到了充分了利用,避免了稀有资源的浪费。如果将普通反应堆和ADS匹配建设,现有铀资源的利用率可以从1%提高至95%以上,使得目前探明储量的铀资源,由现有技术只能利用百年提高到用ADS技术使用万年的水平。这期间,人类有充分的时间研究聚变能,解决人类未来能源的终极问题。

作为反应堆,肯定有人会顾虑ADS反应堆的安全问题。因为ADS反应堆自身处于次临界状态,因此,一旦切断外部中子供应,反应堆便无法启动,所以ADS是比目前的商用反应堆更加安全的一种反应堆技术。

3   中国ADS的弯道超车


ADS技术虽然是一项全新的、甚至是革命性的核能技术,但是它脱胎于人类已经拥有的技术,某种程度上,ADS技术如核磁共振一样,是一项人类现有技术的组合创新结晶。

例如ADS的质子加速器技术早已有之,美国在强质子流方面有较多技术储备,很早就致力于用该技术生产氚。而次临界反应堆技术,各国的研究都是基于现有的快堆或热中子堆(普通商用堆均是热中子堆)。目前世界各国关于ADS的研究,大多是基于现有的技术开始研究。世界上,如欧盟,日本,美国,俄罗斯差不多同时在上世纪末开始了ADS技术研究。

但同时,ADS技术又是一项前沿技术,虽然原理简单,但是在技术实现上面临着很多难题。例如,大型质子加速器的制造,高性能中子靶的制造,次临界反应堆的功率展平问题,反应堆的冷却问题,材料问题,反应堆的燃料制造,这些都是ADS需要解决的关键技术问题。 

中国ADS技术研究始于上世纪90年代中期,相对来说起步较晚。但是晚有晚的好处,这样可以充分分析国际上在ADS上已经取得的成果和走过的弯路,更快的让我国ADS技术走上正轨。

1996年至1999年间,中国开展了ADS研究概念研究和物理可行性研究,并在同一时期进行了“中能强流质子直线加速器”研究。随后,中国又开展了为期五年的“ADS物理和技术基础研究”。上述两项研究相互衔接,都顺利实现研究目标。

尤其是第二阶段的研究中,ADS的零功率装置“启明星一号”于2005年7月在中国原子能科学院研究所研制成功,成为了国际原子能机构开展ADS试验研究的基准装置,这也标志着中国ADS技术达到了国际先进水平。

早在2016年12月23日,中国核工业集团公司网站就发布消息,中国核反应堆零功率装置“启明星二号”实现首次临界。“启明星二号”是中国自主研制的最先进的ADS系统,也是目前世界上最先进的ADS试验装置。

虽然“启明星二号”的成功标志着中国ADS研究已经处于世界先进水平,但是ADS毕竟是一个研究课题。“启明星二号”依然只是一个试验装置,离真正实现ADS技术的工业规模应用依然有很长的路要走,而且“启明星二号”也并非ADS技术的最优实现方案,而是在多年研究基础上,最经典和最先实现的方案。关于ADS研究,还可能有更加优化的技术方案。

而最新的方案便是近日刷屏的“加速器驱动先进核能系统(ADANES)”,中科院并没有给出这种方案的更多细节,但是从中科院介绍的“此技术方案已经通过了大规模的计算机模拟研究”,“完成了一系列实验验证”,“突破性进展”等信息,以及中国这些年来在ADS技术研究上稳步前进的现状,可以肯定,中国不仅是目前ADS研究水平最高的国家,而且未来也将是最先实现ADS工业推广的国家!

国外对ADS的研究现状

总体来看,国际主要发达国家均有对ADS的长中期发展计划,目前各国均 从单项技术研发过渡到集成实验装置设计阶段,开展工业规模实用化的ADS设计研究,且设想在2030年左右建成示范堆。欧盟与俄罗斯是ADS技术研发最为先进的国家或地区。

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;并且ADANES项目、启明星1号、启明星2号项目均为国际先进水平。

欧盟:欧盟联合了40 多家大学和研究所等机构,充分利用现有核设施合作开展实验研究。在欧盟F6和F7框架下支持了多个研究计划的开展,如MUSE 计划开展ADS中子学研究;MEGAPIE 计划开展MW级液态Pb—Bi冷却的散裂靶研究;MYRRHA计划期望在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,其主要设计指标为功率85 MWth 的反应堆,600 MeV/4 mA的强流加速器,铅铋合金作为靶和冷却剂;MAX计划的目的是为MYRRHA的加速器装置的最终设计方案提供第一手的实验与模拟数据;FRERA 计划主要专注于ADS 系统在线反应性监测方法的实验验证。

美国:美国1999 年制订了加速器嬗变核废料的ATW计划,从2001 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。当前劳斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)又提出SMART 计划,研究核废料的嬗变方案。美国DOE/NNSA机构计划在乌克兰联合建造一个 百千瓦级功率的ADS集成装置,但由于战争等原因,此计划仍在延迟中。费米国家实验室正在计划建造的Project-X 是一台多用途的 高能强流质子加速器,除用于高能物理研究外,也打算将ADS的应用纳入其中。

日本:日本从1988 年启动了最终处置核废料的OMEGA计划,后期集中于ADS开发研究。由日本原子力研究机构(JAEA)和高能加速器研究机构(KEK)联合建造的 日本强流质子加速器装置(J-PARC),计划在未来升级工程中将直线加速器能量提高到600 MeV,用于开展ADS的实验研究。日本同时还开展了具有工业规模的散裂靶和次临界堆融为一体的熔盐ADS概念设计研究。

俄罗斯:俄罗斯于20 世纪90 年代开展ADS 研发工作,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和快—热熔盐次临界装置概念设计等。

另外,韩国和印度等国也都制定了ADS研究计划。

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