未來先進高效核能越來越近

又一項大科學工程要在廣東開建了。

3月24日，“十二五”國家重大科技基礎設施“加速器驅動嬗變研究裝置（CIADS）”項目的初步設計方案通過評審。“如果進展順利，今年年中將在廣東惠州動工。”中科院院士、中科院原副院長詹文龍告訴《中國科學報》記者，建成后它將成為國際首臺加速器驅動次臨界系統(tǒng)（ADS）嬗變研究裝置。

從原理到工業(yè)化的“三步走”路線圖

我國的ADS研究可以追溯到上世紀90年代。1999年，“973”項目“加速器驅動的潔凈核能系統(tǒng)的物理和技術基礎研究”啟動實施。與此同時，中科院重點支持了超導加速器的技術和抗輻射材料的研發(fā)，結合院內相關所的優(yōu)勢部署了重大項目“ADS前期研究”。

“起初許多人并不看好，但隨著研究的推進，大家覺得這個方向還是很有前途的。”較早參與ADS研究的中國原子能科學研究院研究員史永謙說。

ADS實際上是加速器和反應堆的“結合體”。中科院近代物理研究所研究員楊磊告訴《中國科學報》記者，ADS可嬗變危害環(huán)境的長壽命核廢物為短壽命的核廢物，以降低放射性廢物的儲量及其毒性；ADS具有潛力，在產能過程中產生很少量的核廢物。

隨著乏燃料的安全處理處置問題日漸凸顯，ADS作為最具潛力的核廢料嬗變方案，正越來越受到國際核能界的重視。

不過，目前世界上還沒有建成的ADS裝置。

2011年，中科院提出了我國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。

核燃料利用率從1%提高到95%

6年多來，ADS專項高質量地完成了各項研究任務，取得了一批階段性重大進展。

“其中有兩項工作做得很出彩。”詹文龍介紹說，“一是突破強流超導質子直線加速器關鍵技術，成功研制了國際上第一臺ADS超導質子直線加速器前端示范樣機；二是在國際上首次提出了顆粒流中子靶的概念，建成國際首臺顆粒流散裂靶冷態(tài)原理樣機。”

盡管項目剛起步那會兒，中國還只是跟在幾個發(fā)達國家的后面，但到2017年底項目結題的時候，我們的關鍵技術一下子走到了國際前沿。不光國際同行覺得不可思議，連ADS專項首席科學家詹文龍都沒想到會做得這么快、這么好。

他認為，中科院建制化的研究所體系結構和齊全的學科研究布局，使其在組織協(xié)調和綜合創(chuàng)新方面具有極強的能力。

更有意義的是，隨著研究不斷深入，詹文龍帶領團隊對核裂變能的可持續(xù)發(fā)展進行了再思考。

他們認識到，傳統(tǒng)ADS方案在經濟性上缺乏競爭力且技術挑戰(zhàn)巨大，因此原創(chuàng)性地提出了“加速器驅動先進核能系統(tǒng)（ADANES）”這一全新概念。

ADANES是集核廢料的嬗變、核燃料的增殖以及核能發(fā)電于一體、具有固有防核擴散特性的先進核燃料閉式循環(huán)技術，可將鈾資源利用率由目前的不到1%提高到超過95%，處理后核廢料量不到乏燃料的4%，放射壽命由數十萬年縮短到約500年，這將是一種清潔的核能。

“不光做嬗變，把毒物減少，同時提高核資源的利用率，使燃料增殖，過程中還能正常發(fā)電。”詹文龍表示，目前已完成了一系列實驗室模擬原理驗證實驗并取得了突破性進展，今年還要把整個概念設計做得更實。

從開始研究就考慮技術經濟性

如果把技術成熟過程劃分為9個級別，那么，在詹文龍看來，他們現在也就做到三四級的水平。“實驗室研究形成的系統(tǒng)技術，最終要通過向核能系統(tǒng)轉移來實現商業(yè)化應用和推廣。而后面只要增加一級，費用就會非常高。”

考慮技術的經濟性、穩(wěn)定性、可靠性，的確做起來會更難。但詹文龍很清楚，真正有用的東西，一開始研究就要考慮最后市場是否能夠接受?？蒲幸龅?ldquo;頂天立地”，沒有經濟性，最后做完只能是擺擺樣子。

于是，自項目開始之初，眾多想法中原理上跨度大和經濟性差的方案被不斷排除。楊磊帶領團隊建立了一套超算模擬設計系統(tǒng)，并結合物理驗證，像濾網一樣對眾多方案進行細化研究。伴隨著研究的不斷推進，這套系統(tǒng)也在一步步完善，未來隨著技術的不斷成熟，有望慢慢轉換為自主知識產權的可靠設計系統(tǒng)。

2015年12月，國家發(fā)展改革委正式批準“加速器驅動嬗變研究裝置”（CIADS）立項。這個大科學工程得到了國家、地方、企業(yè)和中科院的多方支持，預計到2023年能夠完成初步裝置建設，到2030~2032年可以做出ADANES示范裝置，往產業(yè)化推廣。

“到那時候，核電站就變成很理想的了。燃料進來，強放射性核廢料不用送出去，只要在核電站內部再生，進的燃料很少，排出的廢物也很少。”詹文龍笑著說，“這條路，我越走越有信心。”