詹文龍 徐瑚珊

（1中國科學(xué)院 北京 100864 2中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

1 核能是保障我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要能源

1.1 核能是技術(shù)成熟的清潔能源

環(huán)境、能源與資源是人類生存和長期持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)的化石能源支撐了19世紀(jì)以來人類文明的快速進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。然而，據(jù)世界能源會議統(tǒng)計，探明可采石油、天然氣和煤炭儲量分別為1211億噸、119萬億立方米和15980億噸，預(yù)計還可開采30—40年、60年和200年。我國一次能源生產(chǎn)總量及其構(gòu)成中化石能源約占92%[1]，單一的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致能源供應(yīng)面臨潛在危機(jī)。同時，化石能源消費(fèi)帶來大量溫室氣體等有害物質(zhì)的排放。一座百萬千瓦級的煤電廠每年要消耗約300萬噸原煤，釋放SO22.6萬噸、NOx1.4萬噸、CO2600萬噸、飄塵0.35萬噸，對環(huán)境造成極大威脅和損害。因此，發(fā)展清潔能源成為全球能源發(fā)展的優(yōu)先選擇。

目前，水電和核能總體上已經(jīng)具有大規(guī)模生產(chǎn)能源的成熟技術(shù)，同時在電價上具有競爭力，是發(fā)展清潔替代能源的兩種較為現(xiàn)實(shí)的選擇。

1.2 發(fā)展核能是我國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容

我國在2005年明確提出了積極發(fā)展核電的戰(zhàn)略方針，2007年國務(wù)院頒布了《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005—2020年）》，計劃到2020年核電運(yùn)行裝機(jī)容量爭取達(dá)到4000萬千瓦，2020年末在建核電容量應(yīng)保持在1800萬千瓦左右。雖然2011年日本的福島核電站核泄漏事故引發(fā)了全球?qū)穗姲踩珕栴}的反思，也使中國核電發(fā)展“減速”，但作為能源消費(fèi)大國，發(fā)展核能在中國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展中的重大戰(zhàn)略性地位沒有改變。2011年12月，國家能源局正式發(fā)布了 《國家能源科技 “十二五”規(guī)劃（2011—2015）》，將核能作為新能源領(lǐng)域的首要技術(shù)手段進(jìn)行規(guī)劃，提出了未來核能發(fā)展方向。2012年1月16日，國務(wù)院總理溫家寶在世界未來能源峰會上表達(dá)了中國政府對核電的態(tài)度：安全高效地發(fā)展核電，是解決未來能源供應(yīng)的戰(zhàn)略選擇。在2012年“兩會”的政府工作報告中，首次將“安全高效發(fā)展核電”寫入政府工作報告。作為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展能源的必然選擇，核能發(fā)展必將迎來新的春天。

2 核能長期持續(xù)發(fā)展必須實(shí)現(xiàn)核廢料的安全處置

2.1 核乏料的產(chǎn)生

自然界中，易裂變的鈾-235（235U）的天然豐度僅為0.72%，鈾-238（238U）為99.28%。輕水堆作為目前核能發(fā)電的主要堆型，主要采用235U含量為3.5%左右的鈾為核燃料。當(dāng)反應(yīng)堆運(yùn)行至235U濃度降到一定程度后，核燃料就需卸出，成為核乏料，以一座百萬千瓦的反應(yīng)堆估算，其中包括可循環(huán)利用的235U和238U約23.75噸、钚（Pu）約200公斤、中短壽命的裂變產(chǎn)物約1噸、次錒系核素 （MA,Minor Actinides）約20公斤、長壽命裂變產(chǎn)物（LLFP,Long-Lived Fission Product）約30公斤。對乏燃料的潛在危害性分析表明，其遠(yuǎn)期風(fēng)險主要來自MA和LLFP，需經(jīng)過衰變幾萬甚至幾十萬年，其放射性水平才能降到天然鈾礦的水平。

隨著我國壓水堆核電站裝機(jī)容量的增長，核廢料的累積量將快速增加。如果2030年核電裝機(jī)容量達(dá)到8000—10000萬千瓦，屆時乏燃料累積存量將達(dá)到2萬—2.5萬噸，其中所含Pu 160—200噸，MA 16—20 噸，LLFP 24—30 噸。

2.2 核乏料的處理策略

國際上現(xiàn)有“開環(huán)”和“閉式”兩種核燃料循環(huán)模式。在開環(huán)模式中，核乏料在經(jīng)冷卻和封裝后即被深埋于地層深處，因此也被稱為 “一次通過”模式。這種模式相對費(fèi)用較低，特別是未對其中的Pu進(jìn)行分離，可防止核擴(kuò)散；但由于需要在地質(zhì)層中長期存放，其環(huán)境風(fēng)險無法預(yù)期和有效控制，同時還不可避免地浪費(fèi)核燃料和其他同位素等寶貴資源。閉式循環(huán)則是將核乏料通過后處理分離出其中的鈾和钚并再次制成核燃料使用，對MA和LLFP則進(jìn)行地質(zhì)深埋處置。這種模式在提高核資源利用效率的同時，還可大幅減少高放射性核廢料的處置量。目前，由于處置簡單和低成本（不考慮對環(huán)境的長期影響），大多數(shù)的核裂變能應(yīng)用采取 “一次通過”政策，部分發(fā)達(dá)國家則一直堅(jiān)持閉式循環(huán)研究，長期發(fā)展后處理技術(shù)、混合氧化鈾钚（MOX）燃料技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，目前發(fā)展到可商業(yè)應(yīng)用的水平。

隨著加速器技術(shù)的發(fā)展，上世紀(jì)90年代核物理學(xué)家又提出了更為先進(jìn)核廢料處理策略，即分離-嬗變（P-T,Partition-Transmutation）戰(zhàn)略，其核心是在閉式循環(huán)的后處理分離基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用核嬗變反應(yīng)將長壽命、高放射性核素轉(zhuǎn)化為中短壽命、低放射性的核素。研究表明，長壽命高放射性核廢料的放射性水平經(jīng)過嬗變處理后，可在約700年內(nèi)降低到普通鈾礦的放射性水平，仍需地質(zhì)深埋處理的核廢料體積比閉式循環(huán)模式可再減小5倍以上。這種方案基本上可解決地質(zhì)存儲的核廢料容器和地質(zhì)條件存在的問題。目前，P-T戰(zhàn)略在國際上也還處在研究階段。3種燃料循環(huán)模式的原理過程如圖1所示。

3 ADS是安全處置核廢料的首選技術(shù)途徑

ADS系統(tǒng)是上世紀(jì)核科學(xué)技術(shù)發(fā)展中兩大工程——加速器和反應(yīng)堆的“結(jié)合體”，能夠?qū)㈤L壽命高放核廢料嬗變成短壽命核廢料，同時減小體積，被認(rèn)為是最有效的核廢料處置技術(shù)方案，目前世界上尚無建成先例。ADS的基本原理是，首先利用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子束轟擊重金屬靶引起散裂反應(yīng)，然后以寬能譜的散裂中子作為外中子源驅(qū)動和維持次臨界堆芯中的核嬗變反應(yīng)，同時得到能量輸出和一定核材料，如圖2所示。

圖1 3種燃料循環(huán)模式的原理過程

圖2 ADS系統(tǒng)的原理示意圖

ADS系統(tǒng)有4個重要的特點(diǎn)：（1）優(yōu)良的系統(tǒng)安全性。一旦切斷外源中子的驅(qū)動，次臨界系統(tǒng)內(nèi)的核反應(yīng)隨即停止，具有固有安全性；（2）強(qiáng)大的嬗變能力。能量為1 GeV的質(zhì)子在重金屬靶上產(chǎn)生約數(shù)十個中子加上次臨界堆數(shù)十倍的放大效應(yīng)，因此ADS系統(tǒng)在原理上具有強(qiáng)大的核廢料嬗變能力；（3）好的中子經(jīng)濟(jì)性。加速器打靶直接產(chǎn)生的散裂中子能譜分布很寬，幾乎可將所有長壽命的錒系核素轉(zhuǎn)化為可裂變的資源，中子經(jīng)濟(jì)性明顯好于其他已知的臨界堆；（4）高的支持比。由于能譜更硬、中子余額更多，一個優(yōu)化設(shè)計的ADS系統(tǒng)其支持比可達(dá)到10左右 （即一個約80萬千瓦的ADS系統(tǒng)可以嬗變10個左右百萬千瓦規(guī)模的壓水堆核電站產(chǎn)生的長壽命放射性廢料），而快堆由于受到運(yùn)行穩(wěn)定性的要求只能嬗變約2—5個壓水堆的核廢料。因此，ADS系統(tǒng)是目前嬗變放射性核廢料、有效利用核資源及產(chǎn)出核能量的強(qiáng)有力工具，是裂變核能可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)先技術(shù)途徑。

4 國內(nèi)外ADS發(fā)展計劃

歐盟各國、美、日、俄等核能科技發(fā)達(dá)國家均制定了ADS中長期發(fā)展路線圖。歐盟充分利用現(xiàn)有核設(shè)施，合作開展實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)立了以諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Carlo Rubbia為首的7國16人顧問組，制訂和提出了EUROTRANS計劃，并在歐盟F6框架下支持了40多個大學(xué)和研究所參與，將原來的XADS方案進(jìn)行了擴(kuò)展，形成：（1）50—100MW的原理示范裝置XT-ADS的先進(jìn)設(shè)計；（2）由16MW加速器驅(qū)動的數(shù)百M(fèi)W嬗變堆（含鉛靶）的歐洲工業(yè)廢料處理堆EFIT的概念設(shè)計。MUSE計劃基于法國的大型快中子零功率實(shí)驗(yàn)裝置開展ADS中子學(xué)研究；MEGAPIE計劃利用瑞士保羅謝勒研究所 （PSI）的強(qiáng)流質(zhì)子加速器開展MW級液態(tài)Pb-Bi冷卻的散裂靶研究，法國的IPHI和意大利的TRASCO項(xiàng)目關(guān)注強(qiáng)流質(zhì)子加速器研究。比利時核能研究中心（SCK·CEN）的MYRRHA計劃，期望2023年左右建成由加速器驅(qū)動的鉛鉍合金（Pb-Bi）冷卻的快中子次臨界系統(tǒng)，其主要設(shè)計指標(biāo)為反應(yīng)堆 50—100MWt、強(qiáng)流加速器600MeV/3mA，鉛鉍合金作為靶和冷卻劑，目前該計劃仍在設(shè)法籌集和落實(shí)經(jīng)費(fèi)。

美國通過早先實(shí)施的加速器生產(chǎn)氚的APT計劃，在強(qiáng)流質(zhì)子加速器方面有較多的技術(shù)儲備。1999年制訂了加速器嬗變核廢料的ATW計劃，從2001財年開始實(shí)施先進(jìn)加速器技術(shù)應(yīng)用的AAA計劃，全面開展ADS相關(guān)的研究，作為美國先進(jìn)核燃料循環(huán)系統(tǒng)AFCI的有機(jī)組成部分。當(dāng)前洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室 （LANL）又提出了SMART計劃，研究核廢物的嬗變方案；費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室計劃建造的多用途高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器Project-X，除高能物理研究外，也打算將ADS的應(yīng)用納入其中。

日本1988年啟動了最終處置核廢料的OMEGA計劃，認(rèn)為ADS是嬗變MA的最佳選擇，后期集中于ADS開發(fā)研究。2009年由日本原子能機(jī)構(gòu)和高能加速器研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合建造了日本強(qiáng)流質(zhì)子加速器裝置（J-PARC），進(jìn)一步將直線加速器能量提高到600MeV，可開展ADS實(shí)驗(yàn)研究，包括材料和ADS中子學(xué)研究等。

俄羅斯理論與實(shí)驗(yàn)物理研究所（ITEP）于上世紀(jì)90年代與美國LANL合作開展ADS開發(fā)工作。1998年俄聯(lián)邦原子能工業(yè)部決定啟動ADS開發(fā)計劃，工作內(nèi)容涉及ADS相關(guān)核參數(shù)的實(shí)驗(yàn)、理論研究與計算機(jī)軟件開發(fā)、ADS實(shí)驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計、1 GeV/30 mA質(zhì)子直線加速器的發(fā)展、先進(jìn)核燃料循環(huán)的理論與實(shí)驗(yàn)研究等。俄羅斯還比較重視ADS的新概念研究，典型的有快-熱耦合固體燃料ADS次臨界裝置概念設(shè)計、快-熱熔鹽次臨界裝置概念設(shè)計等。

另外，韓國和印度等國也均有ADS的研究開發(fā)計劃。國際上部分ADS裝置的設(shè)計指標(biāo)參數(shù)參見表1。

20余年的研究使國際上的ADS系統(tǒng)從概念研究進(jìn)入物理過程、關(guān)鍵技術(shù)和部件研究及核能系統(tǒng)集成方案研究，下一步是建設(shè)小尺度系統(tǒng)集成裝置，為建設(shè)工業(yè)示范裝置奠定技術(shù)基礎(chǔ)和積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但目前歐美經(jīng)濟(jì)危機(jī)將影響到該研究進(jìn)展。

表1 國際ADS設(shè)計一覽表（部分）

我國從上世紀(jì)90年代起開展ADS概念研究，與核能科技先進(jìn)國家相比，雖然起步較晚，但長期的核科學(xué)基礎(chǔ)研究和核電發(fā)展使我國在加速器、反應(yīng)堆等方面具有一定的技術(shù)積累，且很好地借鑒了國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。在科研人員努力下，我國ADS研究有望通過3—5年的努力達(dá)到國際先進(jìn)水平。

1999年起開始實(shí)施“973”項(xiàng)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”，中國原子能研究院和中科院高能所共同建成了快-熱耦合的ADS次臨界實(shí)驗(yàn)平臺、ADS專用中子和質(zhì)子微觀數(shù)據(jù)評價庫、加速器物理和技術(shù)、次臨界反應(yīng)堆物理和技術(shù)等方面的探索性研究取得一系列成果。此外，中科院還重點(diǎn)支持了超導(dǎo)加速器的技術(shù)和抗輻射材料的研發(fā)，結(jié)合院內(nèi)相關(guān)所的優(yōu)勢部署了重大項(xiàng)目“ADS前期研究”。

5 實(shí)施中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來先進(jìn)核裂變能”

中科院通過多次院士咨詢[2]，對ADS發(fā)展前景進(jìn)行了全面的分析評估，認(rèn)為：從我國裂變核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的地位來看，快堆側(cè)重核燃料增殖，ADS側(cè)重核廢料嬗變，是比較合理的選擇?？紤]到我國核廢料累積的增長速度，ADS系統(tǒng)在2035年左右投入實(shí)際使用是必要的，因此必須加快部署和推動ADS的研發(fā)進(jìn)程。

2010年3月31日國務(wù)院第105次常務(wù)會議，審議并原則同意中科院提出的“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，其中一項(xiàng)重要舉措就是實(shí)施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。經(jīng)過2009—2010年全面深入的醞釀和凝練，并經(jīng)數(shù)輪高層次專家的咨詢評議，2011年1月11日的中科院院長辦公會議審議批準(zhǔn) “未來先進(jìn)核裂變能”作為A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)實(shí)施。該先導(dǎo)專項(xiàng)由ADS嬗變系統(tǒng)和釷基熔鹽（TMSR）核能系統(tǒng)兩大部分組成。其中ADS嬗變系統(tǒng)面向我國核能發(fā)展戰(zhàn)略需求，針對核裂變能可持續(xù)發(fā)展中核廢料安全處置這一世界性難題，以ADS嬗變核廢料為切入點(diǎn)，開展相關(guān)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)問題的前瞻基礎(chǔ)研究，同時建設(shè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和配套科研基地。

“ADS嬗變系統(tǒng)”設(shè)總體方案及相關(guān)基礎(chǔ)研究、質(zhì)子直線加速器、液態(tài)金屬散裂靶、鉛鉍冷卻反應(yīng)堆、平臺及配套設(shè)施5個研究項(xiàng)目，主要由近代物理所、高能物理所、合肥物質(zhì)科學(xué)院承擔(dān)，院內(nèi)其他相關(guān)研究單位參與。

“ADS嬗變系統(tǒng)”的最終目標(biāo)是建成一個可用于工業(yè)推廣的核廢料ADS嬗變示范裝置，包含強(qiáng)流質(zhì)子加速器、液態(tài)金屬散裂靶和液態(tài)金屬冷卻次臨界堆3大子系統(tǒng)?？紤]到其巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)性，計劃分3階段實(shí)施，如圖3所示。

圖3 ADS嬗變系統(tǒng)的研究發(fā)展路線圖

第一階段，主要是圍繞ADS系統(tǒng)技術(shù)路線的選擇開展研究。內(nèi)容包括：搭建各種分立的小型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對相關(guān)科學(xué)問題和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)，確定各系統(tǒng)技術(shù)路線；建成加速器、散裂靶、反應(yīng)堆系統(tǒng)各自集成的子系統(tǒng)裝置，主要設(shè)計指標(biāo)為加速器質(zhì)子束功率（＜250）MeV/（＜10）mA、反應(yīng)堆功率（5—10）MWt；同時建成與之配套的超導(dǎo)測試平臺、基本放化與核材料研究綜合平臺、鉛鉍堆芯模擬綜合實(shí)驗(yàn)平臺、ADS專用設(shè)計與數(shù)據(jù)庫平臺、綜合測調(diào)支撐平臺等條件支撐設(shè)施。

第二階段，完成設(shè)計指標(biāo)為質(zhì)子束功率（0.6—1.0）GeV/10mA、堆功率約 100MWt的 ADS實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)。

第三階段，完成設(shè)計指標(biāo)為質(zhì)子束功率約1.5GeV/10mA、堆功率1000MWt的ADS示范裝置建設(shè)。

6 ADS嬗變系統(tǒng)研究將充分發(fā)揮中科院綜合優(yōu)勢

當(dāng)前我國核工業(yè)系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)十分艱巨，一方面要在確保安全的前提下又好又快地建設(shè)新核電站，以滿足我國迅猛增長的能源需求；另一方面要在引進(jìn)、消化、吸收國外第三代核電技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過再創(chuàng)新形成我國自主產(chǎn)權(quán)的核能品牌；同時還需要研發(fā)第四代核電技術(shù)，如快中子堆、高溫氣冷堆等。“ADS嬗變系統(tǒng)”屬未來先進(jìn)核能科技，具有典型的戰(zhàn)略性、前瞻性和基礎(chǔ)性，還需長期的大量投入。中科院建制化的研究所體系結(jié)構(gòu)和齊全的學(xué)科研究布局，使其在組織協(xié)調(diào)和綜合創(chuàng)新方面具有極強(qiáng)的能力，由中科院牽頭組織“ADS嬗變系統(tǒng)”研究，不僅可發(fā)揮其科技先導(dǎo)作用，也可與我國核工業(yè)系統(tǒng)形成合理分工、強(qiáng)強(qiáng)互補(bǔ)的格局。

核事業(yè)歷來具有“高投入、高門檻、高回報、高風(fēng)險”的特性，資源的集中配置和長期穩(wěn)定支持是ADS嬗變系統(tǒng)最終取得重大突破的必要保障，其長期性和艱巨性決定了必須有效協(xié)調(diào)全國相關(guān)優(yōu)勢力量并形成優(yōu)勢互補(bǔ)的合作方能有所作為。ADS嬗變系統(tǒng)最終形成的系統(tǒng)技術(shù)，也將通過向核能系統(tǒng)轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用和推廣。

在前期準(zhǔn)備過程中，中科院先后與國內(nèi)外相關(guān)研究單位就各方面的合作進(jìn)行了交流與溝通。例如，在國內(nèi)，與中核集團(tuán)、中廣核、國家核電、清華核研院等單位合作開展反應(yīng)堆設(shè)計、堆工物理、反應(yīng)堆安全、核數(shù)據(jù)、反應(yīng)堆中子學(xué)、輻照材料、核燃料、長壽命核廢料分離與放射化學(xué)等方面的研究；國際上，與比利時SCK·CEN開展液態(tài)金屬散裂靶以及其與反應(yīng)堆和加速器耦合方面的研究合作，與瑞士PSI開展散裂靶及輻照材料方面的合作研究，與法國國家原子能委員會 （CEA）和國家科研中心（CNRS）開展強(qiáng)流質(zhì)子加速器、放射化學(xué)、核燃料等方面的合作研究，與美國杰斐遜國家實(shí)驗(yàn)室（J-Lab）、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）等開展強(qiáng)流質(zhì)子加速器及散裂靶方面的合作研究，與日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAEA）等合作開展材料及液態(tài)金屬回路方面的合作研究等等。

通過ADS嬗變系統(tǒng)的研究，將使我國在“核廢料安全處置”這一解決核能高速發(fā)展所面臨的瓶頸問題的研究方面達(dá)到世界領(lǐng)先水平，在先進(jìn)核能領(lǐng)域形成一支國際水平的創(chuàng)新研究隊(duì)伍，提升我國核能領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，并開辟和平和長期可持續(xù)利用核能的新途徑。

60多年來，中科院曾經(jīng)取得了諸如“兩彈一星”等的系列重大科研成果，為我國的科技事業(yè)、國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展及國防建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。通過組織實(shí)施“未來先進(jìn)核裂變能”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，中科院將把握歷史契機(jī)，為我國核科技事業(yè)、國家能源安全和核能可持續(xù)發(fā)展再次做出重大貢獻(xiàn)。

1 華賁.產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能效及一次能源構(gòu)成對能源強(qiáng)度的影響分析.中外能源，2010,15(5):1-7.

2 方守賢,王乃彥,何多慧等.關(guān)于加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS）研發(fā)促進(jìn)我國核能可持續(xù)發(fā)展的建議.中國科學(xué)院院刊，2009,24(6):641-644.