中國核電新突破 鈾棒身體被掏空

中國科學網6月8日消息，2017年6月5日至7日，我國研發的全球首台25MeV質子直線加速器通過測試，標誌著我國先進核裂變技術獲得突破。該技術「可將鈾資源利用率由現在的不到1%提高到超過95%，有望使核裂變能從目前的「百年級」變為近萬年級別的可持續、安全、清潔的戰略能源。」

目前，核電站產生的乏燃料含鈾量在95%左右，在使用新設備帶來的新技術處理後，核廢料量不到現在「乏燃料」的4%，放射壽命由數十萬年縮短到約500年。

早在去年年末，ADS嬗變系統就完成了一個重大節點

中國科學院8日在北京舉行新聞發布會，中科院戰略性A類先導科技專項「未來先進核裂變能—ADS嬗變系統」的專項負責人介紹了相關進展。

中國科學院近代物理研究所副所長徐瑚珊介紹，ADS中文名為「加速器驅動次臨界系統」，即利用加速器產生的高能離子轟擊散裂靶，再產生高通量、硬能譜的中子，驅動次臨界堆芯運行，達到乏燃料嬗變的目的。

徐瑚珊說，2011年中科院啟動了戰略性先導科技專項（A類）「未來先進核裂變能-ADS（加速器驅動次臨界系統）嬗變系統」，經過6年多的不懈努力和奮力攻關，該專項從零開始，突破了一些關鍵核心技術並部分引領國際發展。在認識到傳統的ADS方案在經濟性上缺乏競爭力且技術挑戰巨大之後，該專項原創地提出了「加速器驅動先進核能系統」全新概念，並已通過大規模並行計算模擬研究證明了其原理上的可行性，完成了一系列實驗室模擬原理驗證實驗並取得了突破性進展。

ADS概念始於20世紀90年代初，目前尚未有建成的裝置。歐、美、日等國的ADS系統研發正在從關鍵技術攻關轉入系統集成建設，中國科學家在這場「競爭」中也有獨創成果。

今年4月，ADS又通過了現場測試

「ADS系統主要組成就是加速器、散裂靶和次臨界反應堆。」徐瑚珊說，本月初，研究團隊建成國際上第一台ADS超導質子直線加速器前端示範樣機，通過了中科院組織的25MeV(兆電子伏特)達標測試。他們還原創性提出顆粒流散裂靶的概念並建成原理樣機。此外，研製的國際首台ADS研究專用鉛基臨界/次臨界雙模式運行零功率裝置通過了中科院組織的臨界達標測試，進入實驗運行。

中國科學家不滿足於此，他們在攻關ADS的同時原創性地提出全新的核能系統概念ADANES(加速器驅動先進核能系統)。後者除了擁有比ADS更先進的燃燒系統，還新增了「加速器驅動乏燃料再生循環系統」。

「由乏燃料『分離—嬗變』策略的『精耕細作』，改為『吃粗糧且吃干榨凈』。」徐瑚珊解釋說，ADANES一旦實現，將把鈾資源利用率由當前的不到1%提高到超過95%，處理後核廢料量不到乏燃料的4%。

專家說，2016年至2023年是ADANES原理驗證、系統集成及規模驗證階段，力爭到2030年時建成百兆瓦級工程示範項目。

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乏燃料制約核電發展

目前，中國發電依舊是以火電為主，水電、風電、光伏發電所佔的比重相對較少，而核電的比重也僅為3%。相比之下，2014年核電佔全球總發電量的11.5%，在2015年，有19個國家的核電份額在15%以上。從中可以看出，中國發展核電的潛力巨大。雖然中國核電的發展規劃因日本福島核事故的因素做了調整，但發展核電的大方向未變——到2020年，中國核電的發展目標為運行裝機容量4000萬k W，在建裝機容量1800萬k W；中國工程院在《2050年我國的能源需求》諮詢報告中的內容：到2050年，我國核電佔一次能源總量的比重要求提高至12.5%（占電力裝機容量的20%）。

然而，核電在為人類帶來能源的同時，也會產生核廢料，以一座100萬千瓦的壓水堆核電站為例，每年卸出約25噸乏燃料。什麼是乏燃料呢？乏燃料是指經受過輻射照射、使用過的核燃料。由於核燃料在反應堆里經中子轟擊發生核反應後，會有未用完的核材料以及種類眾多的裂變產物。

其中危害性最大的有兩類：具有高放射性的次錒系核素，如鎿93、鎇95和鋦96等；具有長壽命裂變產物，如碘129、銫135等。具體來說，25噸乏燃料中有可循環利用的鈾約23.75噸, 鈈約0.2噸，中短壽命的裂變產物約1噸，還有高放射性的次錒系核素約20千克和長壽命裂變產物約30千克。由於乏核燃料中包含有大量的放射性元素，如果沒能安全處理，則會嚴重影響環境與接觸它們的人的健康。而建更多的核電站意味著產生更多的乏燃料，因此，能否對乏燃料進行安全處理是核電可持續發展的瓶頸。

現有乏燃料處理不給力

目前，國際上主要有兩種核燃料處理模式：

一是「一次通過」的循環方式。這種是指乏燃料經過適當包裝和儲存之後，直接進行地質處置。通俗的說，就是找個合適的地方建造一個乏燃料的棺材埋了。但這種處理方式具有鈾資源利用率低、產生的廢物量大、廢物所需安全處置的時間長等問題——將乏燃料中大量可以循環利用的資源與少量的廢物一起處置，不僅造成核原料的浪費，還大幅增加了核廢料的處置量，何況高放射性核廢料的地質處置庫建設十分昂貴。舉例來說，美國在尤卡山建立的儲藏庫就耗資300億美元。因此，曾經長期採用這種做法的美國也在2006年否定了當年卡特政府的核燃料「一次通過」的核能政策。

二是鈾鈈再利用的閉式循環模式。這種模式將乏燃料中的鈾和鈈分離出來，並製成混合氧化鈾鈈燃料實現循環再利用，剩下的高放射性核廢料和長壽命裂變產物經處理後進行最終的地質深埋。該循環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。不過這種模式也存在不足，那就是要對高放射性核廢料和長壽命裂變產物地質深埋，但漫長的半衰期使這種處理方式依舊存在一定安全隱患。

乏燃料安全處理新方法，掏空核廢料的身體

除了之前介紹的兩種處理模式外，還有一種更先進的處理模式，那就是分離—嬗變閉式循環。這種模式是在鈾鈈再利用閉式循環的基礎上，利用嬗變核反應將高放射性核廢料中的高放射性、長壽命核素轉化為中短壽命、低放射性核素或穩定核素。研究表明，高放射性核廢料的放射性水平經過嬗變處理後，可在300—700 年內降低到普通鈾礦的放射性水平，需地質深埋處理的核廢料體積減少至「一次通過」模式的1/50和鈾鈈再利用閉式循環模式的1/10左右。

那麼具體如何實現呢？這就離不開快中子反應堆和加速器驅動次臨界系統了（小編註：就是這次發布的新系統）。加速器驅動次臨界系統由強流質子加速器、重金屬散裂靶和次臨界反應堆三大分系統組成。基本原理是利用加速器產生的高能強流質子束轟擊重核產生寬能譜、高通量散裂中子作為外源來驅動次臨界堆芯中的裂變材料發生鏈式反應。次錒系核素與快中子發生裂變核反應，生成半衰期較短和毒性較小的裂變產物；長壽命裂變產物的嬗變主要通過熱中子俘獲、衰變等核反應過程生成短壽命或穩定的核素。通俗地說，就是製造一個高放射性、長壽命核廢料的焚燒爐，將高放射性、長壽命核素轉化為中短壽命、低放射性核素或穩定核素。同時，在這個過程中還會釋放能量，這些能量可以用來發電，等於將核廢料變成了可以用於發電的核燃料，實現變廢為寶。

不過，這種新技術離產業化還有一定距離，世界各國都還在研究中——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應用的AAA計劃，全面開展ADS相關的研究。日本從1988年啟動了最終處置核廢料的OMEGA計劃，後期集中於ADS開發研究。俄羅斯在上世紀90年代開展ADS研發工作。

必須說明的是，目前國際上還沒有ADS嬗變系統工程化應用的先例，中國是世界上第一個開展ADS嬗變系統大工程項目研製的國家，而本次取得的技術突破，使中國和全世界離使用更清潔的核能又進了一步。

是不是感覺更看不懂了？

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