ADS潔凈核能系統(tǒng)

1、加速器驅(qū)動次加速器驅(qū)動次臨界潔凈核能系統(tǒng)調(diào)研臨界潔凈核能系統(tǒng)調(diào)研劉昌奇核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2016.12.101. ADS系統(tǒng)研發(fā)背景系統(tǒng)研發(fā)背景2. ADS系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)3. ADS發(fā)展必須解決的技術(shù)關(guān)鍵發(fā)展必須解決的技術(shù)關(guān)鍵4. 國際和國際和國內(nèi)研究國內(nèi)研究工作進展工作進展5. 總結(jié)總結(jié) 發(fā)展清潔能源是我國及全球能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。核裂變能是技術(shù)成熟的清潔能源，具有高效、低碳排放、安全可靠和可規(guī)模生產(chǎn)的突出優(yōu)勢，是解決未來能源供應(yīng)、保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。 要實現(xiàn)核裂變能的快速、可持續(xù)發(fā)展，在確保安全的前提下必須解決兩個重大問題：核燃料的穩(wěn)定可靠供應(yīng)和乏燃料(

2、尤其是其中的長壽命高放射性核廢料)的安全處理和處置。其中，后一個問題是我國乃至國際核能界無法回避的重大問題，也是世界尚未解決的難題。1 ADS系統(tǒng)的系統(tǒng)的研發(fā)研發(fā)背景背景1.1核能發(fā)展背景核能發(fā)展背景 核燃料在反應(yīng)堆中發(fā)生裂變核反應(yīng)釋放出核能用于發(fā)電，并生成種類眾多的裂變產(chǎn)物；同時，核燃料中的重原子(鈾238等)因發(fā)生中子俘獲反應(yīng)而生成超鈾核素，钚(Pu)、镎(Np)、镅(Am)等。于是，核燃料使用到一定程度后就需卸出成為乏燃料。乏燃料最初 30 至 50 年內(nèi)，其放射性毒性主要取決于裂變產(chǎn)物；100 年以后毒性主要來自钚等超鈾核素和一些長壽命的裂變產(chǎn)物，需經(jīng)過幾萬甚至幾十萬年的衰變放射性水平

3、才能降到天然鈾礦的水平。 由于大多數(shù)的超鈾核素的半衰期很長（從幾百年至數(shù)十萬年），且大多具有粒子放射性，這些核素被列入放射性毒性分組中的極毒組或高毒組，一旦進入人體，會對組織和器官造成嚴重的輻射危害。一座100萬k W的壓水堆（PWR）核電站，每年卸出乏燃料約25噸；其中含有可循環(huán)利用的鈾約23.75噸，钚約200 kg, 中短壽命的裂變產(chǎn)物(FPs)約1噸；還有次錒系核（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，對環(huán)境構(gòu)成長期危害。 隨著我國核電站裝機容量的快速增長，核廢料的累積量將快速增加，乏燃料特別是其中的長壽命高放射性核廢料的安全處理

4、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。 根據(jù)乏燃料和高放射性核廢料處理處置方式的差異，國際上主要有三種核燃料循環(huán)模式： “開環(huán)”模式 鈾钚再利用的“閉式循環(huán)”模式 “分離嬗變”閉式循環(huán)模式。 “開環(huán)”模式（又稱一次通過長期處置）：乏燃料將直接作為高放射性核廢料進行地質(zhì)深埋。這種模式相對費用較低，特別是未對其中的钚進行分離，可防止核擴散。但由于需要在地質(zhì)層中長期存放，其環(huán)境風險無法預(yù)期和有效控制。 鈾钚再利用的“閉式循環(huán)”模式：將乏燃料中的鈾和钚分離出來，并制成混合氧化鈾钚（MOX）燃料，剩下的高放射性核1.2 乏燃料處理方式乏燃料處理方式廢料經(jīng)玻璃固化等工藝處理后進行最終的地質(zhì)深埋。

5、該循環(huán)模式可以明顯提高核燃料的利用效率，同時也將大幅減小高放射性核廢料的處置量。但由于次錒系核素和一些長壽命裂變核素的存在，核廢料的放射性毒性需要上萬年的時間才能衰變至天然鈾礦的水平。 “分離嬗變”閉式循環(huán)的概念是 20 世紀90 年代提出的，其核心是在鈾/钚再利用閉式循環(huán)的基礎(chǔ)上，進一步利用嬗變核反應(yīng)將高放射性核廢料中的次錒系核素等長壽命核素轉(zhuǎn)化為中短壽命、低放射性核素或穩(wěn)定核素。這就是加速加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（Accelerator driven sub-critical system (ADS)），嬗變處理可以將高放廢料的半衰期從幾十萬年減少至幾百年。也就說，原本需要存

6、放幾十萬年的高放廢料，經(jīng)過處理后，只需存放幾百年就可以了。1.3 ADS是理想是理想的焚燒爐的焚燒爐 ADS由強流質(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）。 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：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；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。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于其他所有已知的臨界堆。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

7、變的資源，因此，ADS系統(tǒng)中錒系核素的中子經(jīng)濟性明顯好于其他所有已知的臨界堆。ADS具有良好的安全性，ADS燃料中對MAs的裝載量沒有嚴格的限制。在所有已知的嬗變系統(tǒng)中，ADS是最理想的核廢物焚燒爐。2 ADS系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu) ADS 系統(tǒng)由強流質(zhì)子加速器、重金屬散裂靶和次臨界反應(yīng)堆三大分系統(tǒng)組成（圖）是一種高效的核廢物嬗變器（或焚燒爐）。它集成了20 世紀核科學(xué)技術(shù)發(fā)展的兩大工程技術(shù)加速器和反應(yīng)堆技術(shù)。其基本原理是，利用加速器產(chǎn)生的高能強流質(zhì)子束轟擊重核產(chǎn)生寬能譜、高通量散裂中子作為外源中子，來驅(qū)動次臨界堆芯中的裂變材料發(fā)生鏈式反應(yīng)。散裂中子和裂變產(chǎn)生的中子除維持反應(yīng)堆功率水

8、平所需以及各種吸收與泄露外，余下的中子可用于核廢料的嬗變或核燃料的增殖。次錒系核素與快中子發(fā)生裂變核反應(yīng)，生成半衰期較短和毒性較小的裂變產(chǎn)物；長壽命裂變產(chǎn)物的嬗變主要通過熱中子俘獲、衰變等核反應(yīng)過程生成短壽命或穩(wěn)定的核素。2.1 強強流質(zhì)子流質(zhì)子加速器加速器 強流質(zhì)子加速器其作用是用來產(chǎn)生高能、強流、大功率質(zhì)子束流，通過質(zhì)子束流轟擊散裂靶產(chǎn)生高通量中子來維持次臨界堆內(nèi)的鏈式反應(yīng)。可供選擇的質(zhì)子加速器有回旋加速器和直線加速器兩種。 回旋加速器利用粒子在恒定磁場中回旋頻率相同的原理設(shè)計而成，粒子的能量越高，所需要的回轉(zhuǎn)半徑越大約束磁場越強。一般來說，這種加速器的質(zhì)子束流能量的上限是 1GeV。 直

9、線加速器的加速原理是讓帶電粒子在一條直線上連續(xù)通過多個高頻加速間隙進行加速。只要有足夠長的加速空間，其能量不會受到相對論效應(yīng)或者機器尺寸的限制。理論上直線加速器可以加速幾百毫安的強流質(zhì)子，比人們所公認的回旋加速器的極限流強高至少一個量級，更適用于ADS的需求。目前采用超導(dǎo)技術(shù)的直線加速器技術(shù)已獲得成功，束流損耗大大降低，提高了能量的傳遞效率，是ADS系統(tǒng)加速器技術(shù)的優(yōu)選方案。2.2 重金屬重金屬散裂散裂靶靶激發(fā)能低于幾個MeV之后剩余核將通過發(fā)射光子退激發(fā)。發(fā)射出的核子又會導(dǎo)致附近其他的原子核發(fā)生反應(yīng)，直到次級粒子的能量足夠低，小于核反應(yīng)的閾值為止。 為了保證在高能質(zhì)子轟擊下散裂靶能夠穩(wěn)定產(chǎn)生

10、整個ADS 系統(tǒng)在次臨界條件下持續(xù)工作所需的中子通量和空間分布，選擇易發(fā)生散裂反應(yīng)的重金屬如鉛、鉛鉍合金和鎢為靶材料。一般來說，ADS 散裂靶的設(shè)計要滿足以下條件：中子產(chǎn)額應(yīng)盡量高；能承受高的束流功率；可持續(xù)運行較長時間且易于更換和維護。2.3 ADS 系統(tǒng)堆芯系統(tǒng)堆芯 ADS 系統(tǒng)的堆芯是一個次臨界、快中子反應(yīng)堆。當中子能量較低時，次錒系核素的中子俘獲截面遠大于裂變反應(yīng)截面，不利于次錒系核素的嬗變，因而快中子堆芯更有利于核廢料的嬗變。 ADS 系統(tǒng)選用次臨界堆芯主要是出于反應(yīng)堆的安全控制和次錒系核素裝載量靈活性的考慮。反應(yīng)堆中核燃料裂變產(chǎn)生的中子分為瞬發(fā)中子和緩發(fā)中子兩類。緩發(fā)中子是由部分裂

11、變產(chǎn)物衰變產(chǎn)生的，雖然緩發(fā)中子占總產(chǎn)生中子的份額不足1%，但它對于臨界反應(yīng)堆的安全控制卻起著至關(guān)重要的作用。若只有瞬發(fā)中子，當引入一個很小的正反應(yīng)性時，反應(yīng)堆的功率會在很短的時間內(nèi)急劇增加而變得難以控制。由于緩發(fā)中子的存在，大大增加了每一代中子的平均壽命，從而有效滯緩反應(yīng)堆功率的變化速度，實現(xiàn)對反應(yīng)堆的安全控制。3 ADS發(fā)展必須解決的發(fā)展必須解決的技術(shù)問題技術(shù)問題 3.1 強流強流加速器關(guān)鍵技術(shù)加速器關(guān)鍵技術(shù) 10100 MW量級束功率的強流中能加速器在物理基礎(chǔ)方面的難點在于解決強流束加速與傳輸中的束暈形成和束流損失問題。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，這是達到101

12、00 MW級束功率的唯一可能的選擇。 普遍認為超導(dǎo)射頻（SRF）直線加速器是最有可能達到上述要求的加速器類型。與環(huán)形加速器不同，粒子在直線加速器中運行軌道是直線，這樣對于各個不同能量段的加速結(jié)構(gòu)之間沒有特殊的注入和引出要求，從而降低了這些敏感區(qū)域粒子損失的可能，提高了加速器的最高流強。若采用常溫結(jié)構(gòu)，大量的射頻功率會損失在射頻腔的腔壁上，功率利用率非常低。超導(dǎo)加速結(jié)構(gòu)一般都是具有相對較少加速間隙的短超導(dǎo)腔，且每個腔體都是獨立饋贈功率的，有利于采用局部補償?shù)姆椒▉硖岣哒麄€機器的可靠性。3.2 高高功率散裂功率散裂靶關(guān)鍵靶關(guān)鍵技術(shù)技術(shù) 散裂靶需要解決的關(guān)鍵問題包括：輻照性能、機械性能、導(dǎo)熱性能、抗

13、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。3.3 次次臨界反應(yīng)堆關(guān)鍵技術(shù)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，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)難點集中于: （1）由于能譜相當硬的點狀或線狀外中子源的存在，堆芯功率密度分布不均勻，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。需要解決功率展平的問題。（2）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。4 國際國際和國內(nèi)研究工作進展和國內(nèi)研究工作進展 4.1 國際上的發(fā)展現(xiàn)狀

14、國際上的發(fā)展現(xiàn)狀 美國 1999 年制訂了加速器嬗變核廢料的ATW 計劃，從 2001 年開始實施先進加速器技術(shù)應(yīng)用的 AAA 計劃，全面開展 ADS 相關(guān)的研究。當前勞斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)又提出SMART 計劃，研究核廢料的嬗變方案。美國機構(gòu)計劃在烏克蘭聯(lián)合建造一個百千瓦級功率的 ADS 集成裝置，但由于戰(zhàn)爭等原因，此計劃仍在延遲中。費米國家實驗室正在計劃建造的Project-X是一臺多用途的高能強流質(zhì)子加速器，除用于高能物理研究外，也打算將ADS的應(yīng)用納入其中。 日本從 1988 年啟動了最終處置核廢料的OMEGA 計劃，后期集中于 ADS 開發(fā)研究。由日本原子力研究機構(gòu)(JA

15、EA)和高能加速器研究機構(gòu)(KEK) 聯(lián)合建造的日本強流質(zhì)子加速器裝置 (J-PARC)，計劃在未來升級工程中將直線加速器能量提高到600 Me V，用于開展ADS的實驗研究。 俄羅斯于 20 世紀 90 年代開展 ADS 研發(fā)工作，內(nèi)容涉及ADS相關(guān)核參數(shù)的實驗；理論研究與計算機軟件開發(fā)；ADS實驗?zāi)M試驗裝置的優(yōu)化設(shè)計；1 Ge V/30 m A 質(zhì)子直線加速器的發(fā)展；先進核燃料循環(huán)的理論與實驗研究等。 我國從 20 世紀 90 年代起開展 ADS 概念研究。1995年在中國核工業(yè)總公司的支持下成立了ADS 概念研究組，開展以 ADS 系統(tǒng)物理可行性和次臨界堆芯物理特性為重點的研究工作。1

16、999 年起實施的重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目“加速器驅(qū)動的潔凈核能系統(tǒng)(ADS)的物理和技術(shù)基礎(chǔ)研究”，在強流 ECR 離子源、ADS 專用中子和質(zhì)子微觀數(shù)據(jù)評價庫、次臨界反應(yīng)堆物理和技術(shù)等方面的探索性研究中取得一系列成果，建立了快熱耦合的ADS次臨界實驗平臺“啟明星一號”。與此同時，中國科學(xué)院還重點支持了超導(dǎo)加速器技術(shù)研發(fā)，并結(jié)合相關(guān)研究所的優(yōu)勢，部署了重大項目“ADS 前期研究”4.2 國內(nèi)國內(nèi)ADS研究的現(xiàn)狀及發(fā)展研究的現(xiàn)狀及發(fā)展 。這些研究工作為今后進行ADS的研發(fā)、物理驗證和工業(yè)示范打下了堅實的物理技術(shù)基礎(chǔ)。 經(jīng)過 20092010 年全面深入的醞釀和凝練，中國科學(xué)院根據(jù)我國核能可持續(xù)

17、發(fā)展的重大需求與已有研發(fā)布局，結(jié)合國際發(fā)展態(tài)勢，從技術(shù)可行性出發(fā)，提出了我國ADS發(fā)展路線圖。 中國ADS 發(fā)展可以分為三個階段。第一階段為原理驗證階段，即建立加速器驅(qū)動嬗變研究裝置。該階段主要解決ADS 系統(tǒng)單元關(guān)鍵技術(shù)問題，從整機集成的層面上掌握ADS各項重大關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成與 ADS 調(diào)試經(jīng)驗，為下一步建設(shè) ADS 示范裝置奠定基礎(chǔ)。第二階段為技術(shù)驗證階段，即要建立加速器驅(qū)動嬗變示范裝置。加速器、散裂靶和次臨界反應(yīng)堆的系統(tǒng)指標提升，建成能量1 GeV、流強10 mA 加速器驅(qū)動的次臨界堆系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性提升，達工業(yè)級要求。實現(xiàn)工程技術(shù)驗證的核心是要解決可靠性、燃料和材料問題，確定工業(yè)推

18、廣裝置的燃料和材料選擇。第三階段為工業(yè)推廣階段，該階段以企業(yè)為主導(dǎo)，實現(xiàn)運行可靠性和系統(tǒng)經(jīng)濟性的驗證，進行工業(yè)應(yīng)用。 2011 年 1 月，中國科學(xué)院啟動了 ADS 先導(dǎo)專項，由近代物理研究所、高能物理研究所、合肥物質(zhì)科學(xué)研究院承擔，并聯(lián)合院內(nèi)外其他相關(guān)研究單位共同開展ADS第一階段的原理驗證研究，解決 ADS 系統(tǒng)中的各單項關(guān)鍵技術(shù)問題，根據(jù)示范裝置的需求開展前瞻性研究工作，發(fā)展ADS研究所需的平臺基礎(chǔ)。在先導(dǎo)專項的基礎(chǔ)上，利用“十二五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“加速器驅(qū)動嬗變研究裝置”(China Initiative Accelerator Driven System，簡稱 CIADS)建設(shè)項目的支持，從整機集成的層面上掌握ADS各項重大關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成