加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)

1、加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng) Accelerator Driven Sub-critical Systems2016/12/19蔣偉目錄加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)的研發(fā)背景加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)ADS的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢ADS先導(dǎo)專項研發(fā)進展ADS未來展望一.加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)的研發(fā)背景發(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(尤其是其中

2、的長壽命高放射性核廢料)的安全處理和處置。后一個問題是我國乃至國際核能界無法回避的重大問題，也是尚未解決的世界性難題。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：一次通過的“開環(huán)”模式，鈾/钚再利用(MOX燃料)的“閉式循環(huán)”模式，和“分離嬗變”(partitiontransmutation)閉式循環(huán)模式。1.核裂變能的快速發(fā)展2.乏燃料與核廢料 3.核燃料的“分離嬗變”循環(huán)策略二.加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS) 由Brookhaven 國家實驗室H.Takahashi 和G.VanTuyle 領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊最早在80 年代的后期發(fā)展起來的具有現(xiàn)代意義的、旨在

3、探索先進核能系統(tǒng)、提高核安全和解決核廢料安全處置的ADS的概念。 1991 年，Los Alamos 國家實驗室的C. Bowman 第一個給出了嬗變裝置的詳細設(shè)計方案，該方案利用來自加速器的高能質(zhì)子束流產(chǎn)生散裂中子去驅(qū)動次臨界、熱中子反應(yīng)堆，目的是實現(xiàn)核廢料嬗變與核能發(fā)電。此外，Brookhaven國家實驗室的H.Takahashi 提出了基于快中子次臨界包層的設(shè)計方案，其主要目的是焚燒次錒系核素。 1993 年，Carlo Rubbia 和他領(lǐng)導(dǎo)的工作團隊提出了“能量放大器”的概念。這是一個基于鈾釷循環(huán)的次臨界核能系統(tǒng)，通過一個強流質(zhì)子加速器產(chǎn)生的外中子源驅(qū)動進行核能發(fā)電，同時大大減少次錒

4、系核素和長壽命裂變產(chǎn)物的量。隨后開展了一系列實驗研究，驗證了加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)的原理與可行性6，7。1.ADS概念的形成2.ADS的構(gòu)成與原理 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，它集成了20 世紀(jì)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來驅(qū)動次臨界堆芯中的裂變材料發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。散裂中子和裂變產(chǎn)生的中子除維持反應(yīng)堆功率水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

5、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。如99Tc 俘獲一個中子后生成半衰期為15.8 s的100Tc，再經(jīng)過衰變后變成穩(wěn)定核素100Ru；129I 中子俘獲生成半衰期為12.4小時的130I，最終經(jīng)過衰變至穩(wěn)定核素130Xe。 目前世界上尚無建成ADS集成系統(tǒng)的先例，這在一定程度上阻礙了ADS技術(shù)的深入研究，特別是系統(tǒng)集成及核廢料嬗變的實驗驗證等方面的研究。 ADS次臨界反應(yīng)堆系統(tǒng)面臨的主要問題為散裂中子源帶來的堆芯內(nèi)功率分布不均勻，新型冷卻劑的熱工及材料相容性，加速器失束時對反應(yīng)堆的熱沖擊，長時間強中子輻照等極端環(huán)境下的燃料元件及材料問題等。同時還要解

6、決ADS的核燃料所涉及的乏燃料的鈾、钚分離，次錒系核素的分離以及新型燃料組件的制備等難題。 3. ADS的技術(shù)挑戰(zhàn)三.ADS的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1. 國外的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢目前國際上關(guān)于ADS的學(xué)術(shù)交流、研討會及科技合作日益活躍與頻繁，歐盟各國以及美、日、俄等核能科技發(fā)達國家均制定了ADS中長期發(fā)展路線圖，正處在從關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)逐步轉(zhuǎn)入建設(shè)系統(tǒng)集成的ADS原理驗證裝置階段。歐盟聯(lián)合了40 多家大學(xué)和研究所等機構(gòu)，充分利用現(xiàn)有核設(shè)施合作開展實驗研究。 如MUSE 計劃開展ADS 中子學(xué)研究；MEGAPIE 計劃開展MW級液態(tài)PbBi 冷卻的散裂靶研究；MYRRHA計劃期望在2023 年左右建成由加速器驅(qū)

7、動的鉛鉍合金(PbBi)冷卻的快中子次臨界系統(tǒng)，其主要設(shè)計指標(biāo)為功率85 MWth 的反應(yīng)堆，600 MeV/4 mA的強流加速器，鉛鉍合金作為靶和冷卻劑；MAX計劃的目的是為MYRRHA的加速器裝置的最終設(shè)計方案提供第一手的實驗與模擬數(shù)據(jù)；FRERA 計劃主要專注于ADS 系統(tǒng)在線反應(yīng)性監(jiān)測方法的實驗驗證。2. 我國ADS研究現(xiàn)狀及發(fā)展路線四. ADS先導(dǎo)專項研發(fā)進展 ADS超導(dǎo)質(zhì)子直線加速器系統(tǒng)的各單項技術(shù)已實現(xiàn)突破，開始向系統(tǒng)集成研究階段轉(zhuǎn)換。在單項技術(shù)突破方面，成功研制了高穩(wěn)定度的強流質(zhì)子源； 162.5 MHz2.1 MeV ADS 射頻四極加速器是國際上第二個超過10 mA的連續(xù)波

8、質(zhì)子束射頻四極加速器，也是目前國際上穩(wěn)定運行的連續(xù)波離子束射頻四極加速器中束流強度最高的；325 MHz 3.2 MeV ADS 射頻四極加速器束流平均功率位于世界最高；研制的Spoke 超導(dǎo)腔的測試性能指標(biāo)達到了國際先進水平。 在系統(tǒng)集成方面，實現(xiàn)了7 個超導(dǎo)腔穩(wěn)定加速能量為6.05 MeV、流強為10.4 mA的脈沖質(zhì)子束，是國際上首臺由多個Spoke 超導(dǎo)腔構(gòu)成的低能量段加速裝置；實現(xiàn)連續(xù)波模式運行，束流強度達到3.9 mA，最長運行記錄為7.5 小時，標(biāo)志著我國在ADS系統(tǒng)研究領(lǐng)域的創(chuàng)新研發(fā)能力達到國際領(lǐng)先水平。1 . ADS單項技術(shù)突破創(chuàng)造性地提出了新型流態(tài)固體顆粒靶概念并完成初步設(shè)

9、計。該方案融合了固態(tài)靶和液態(tài)靶的優(yōu)點，通過固體小球的流動實現(xiàn)了靶區(qū)外的冷卻，規(guī)避了液態(tài)鉛鉍合金靶放射產(chǎn)物毒害性高、溫度材料腐蝕效應(yīng)嚴重以及固態(tài)靶熱移除難等缺點，物理上具有承受幾十兆瓦束流功率的可行性。在材料研究方面，自主配方、自主研制的SIMP 鋼是一種新型抗輻射、抗腐蝕的低活化耐熱合金結(jié)構(gòu)材料，其性能指標(biāo)均優(yōu)于或不亞于目前國際主流核能裝置用抗輻照結(jié)構(gòu)材料，有望成為一種新的核能裝置候選結(jié)構(gòu)材料。目前已實現(xiàn)5 噸級工業(yè)規(guī)模制備；同時開展了SiC 復(fù)合纖維材料研發(fā)，完成碳化硅纖維紡絲和不熔化裝置設(shè)計、加工和組裝。在核燃料制備方面，完成了鈾納米材料的制備和系列錒系有機化合物晶體的合成。 2. “加速

10、器驅(qū)動嬗變研究裝置”項目正式立項 2015 年12 月，國家發(fā)改委正式批準(zhǔn)“加速器驅(qū)動嬗變研究裝置”(China Initiative Accelerator Driven System，簡稱CIADS)的立項。CIADS 是國家“十二五”期間優(yōu)先安排建設(shè)的16 個重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一。其主要設(shè)計指標(biāo)為：強流質(zhì)子加速器質(zhì)子束流能量250 MeV、束流強度10 mA，實現(xiàn)連續(xù)波(CW)工作模式，并具備可升級到更高能量的能力；高功率顆粒流散裂靶最大可承載質(zhì)子束流功率2.5 MW，具備與加速器和次臨界堆耦合工作的能力；液態(tài)鉛鉍次臨界堆在加速器中子源驅(qū)動下的最大熱功率可達10 MW(含質(zhì)子束流功率2.

11、5 MW)，并留有實驗孔道開展嬗變等相關(guān)實驗研究。 CIADS建成后將成為世界上首個兆瓦級加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)研究裝置。目前，CIADS項目建設(shè)地點已確定為廣東省惠州市惠東縣東南沿海，中國科學(xué)院已同廣東省人民政府簽署協(xié)議，并成立院省領(lǐng)導(dǎo)小組，共同推進項目建設(shè)。3. 加速器驅(qū)動先進核能系統(tǒng)(ADANES)新概念的形成 隨著ADS先導(dǎo)專項研究的推進和各項突破性科研成果的取得，對于ADS系統(tǒng)在核燃料增殖和產(chǎn)能方面的巨大潛力的認識和理解也愈加深入。進而，ADS研究團隊對ADS發(fā)展路線進行了認真而又審慎的再思考，在一系列原理模擬驗證和技術(shù)路線深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，科研人員勇于突破原有的發(fā)展思路，創(chuàng)造性地提出

12、了“ 加 速 器 驅(qū) 動 先 進 核 能 系 統(tǒng)(Aaccelerator Driven Advanced Nuclear Energy System，ADANES)”的全新概念和研究方案五. ADS未來展望 ADS系統(tǒng)是為解決核裂變能可持續(xù)發(fā)展所面臨的核廢料安全處理處置而提出來的，ADS 系統(tǒng)除在核廢料嬗變方面有獨特的優(yōu)勢，其在增殖和產(chǎn)能方面也有巨大的潛力。在中國科學(xué)院先導(dǎo)專項實施的基礎(chǔ)上，進而提出了ADANES的全新概念和方案，并基本完成了原理的模擬試驗驗證。 ADANES 將充分發(fā)揮ADS 系統(tǒng)增殖和產(chǎn)能的潛力，提高核能資源的利用效率，使基于鈾資源的核裂變能成為可持續(xù)數(shù)千年的低碳排放、安

13、全可靠、高性價比、防核擴散的戰(zhàn)略能源，應(yīng)成為我國ADS 研究的未來發(fā)展方向。如果得到國家及時和穩(wěn)定的支持，有望在2022 年左右基本完成乏燃料循環(huán)利用驗證以及ADS 燃燒器原理樣機(10 MWth)等階段性工作，引領(lǐng)國際核裂變能的創(chuàng)新發(fā)展，并在2030 年左右實現(xiàn)工業(yè)級示范。1Wakabayashi T et al. Nuclear Technology，1997，118：142 IAEA. Implications of Partitioning and Transmutation in Radioactive Waste Management，IAEA-TECDOC-435，20043 K

14、adi Y，Revol J P. Design of an Accelerator-driven System for the Destruction of NuclearWaste. LNS0212002，20014 Stanculescu A. Accelerator Driven Systems (ADS) and Transmutation of NuclearWaste：Options and Trends. LNS015022，20005 何祚庥. 世界科技研究與發(fā)展，1996，6：16 Andriamonje S et al. Physics Letters B，1994，348：6977 Arnould H et