其中，CIADS作為我國加速器驅(qū)動先進核能系統(tǒng)的燃燒器部分，將深入探索核廢料嬗變過程中的科學(xué)問題，突破系列核心技術(shù)、檢驗系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，為未來工業(yè)示范裝置奠定基礎(chǔ)。

這一先進裝置的研發(fā)，離不開科學(xué)家對基礎(chǔ)科學(xué)問題的長期探索。2010年，自然科學(xué)基金委設(shè)立了重大研究計劃“先進核裂變能的燃料增殖與嬗變”，旨在以該領(lǐng)域關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題為核心，在先進核能體系中的核燃料及其核過程、核燃料在先進反應(yīng)堆燃燒過程中的基本行為及其增殖與嬗變、乏燃料后處理的新方法與新機理等方面取得創(chuàng)新性成果，最終解決戰(zhàn)略性和前瞻性重大科學(xué)問題。

該重大研究計劃歷經(jīng)8年，取得了豐碩成果。本期基金版將總結(jié)該重大研究計劃取得的經(jīng)驗，展示取得的成績。

詹文龍(右一)在惠州CIADS裝置場區(qū)現(xiàn)場指導(dǎo)工作。

近日，日本政府公布第5次修改過的福島第一核電站報廢計劃路線圖，將從2021年開始取出核燃料殘渣，并力爭在2031年將所有燃料棒取出。

如何解決核燃料的利用效率和乏燃料的安全處理處置問題，是國際核能界面臨的共同挑戰(zhàn)。

自2010年起，在國家自然科學(xué)基金重大研究計劃“先進核裂變能的燃料增殖與嬗變”及之后的中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項A類支持下，歷經(jīng)8年，中國科學(xué)家將核燃料利用率從“不到1%”提高到“超過95%”，有望使核裂變能從目前的百年變?yōu)榻f年可持續(xù)、安全、清潔的戰(zhàn)略能源。

“燙手”的乏燃料

核燃料是核電站的“糧食”，持續(xù)不斷地在反應(yīng)堆內(nèi)燃燒，以供應(yīng)核電運行。然而，燃燒后卸出的大量乏燃料，卻成了“燙手山芋”。

“就像燒煤球，有些外面燒透了里面還是沒有燒掉。”該重大研究計劃指導(dǎo)專家組組長、中國科學(xué)院院士詹文龍表示，實際上，核反應(yīng)堆真正燃燒的東西很少。一般核能的功率密度是化學(xué)能的百萬倍，現(xiàn)有核燃料能夠燃燒的不到1%，剩余99%多為乏燃料，具有很大的放射毒性，危害時間長達10萬年之久。

“和國際上大多數(shù)核電站一樣，我國核電站的乏燃料多暫存在核島內(nèi)的水池中。”詹文龍介紹，一般核電站的水池設(shè)計容量僅能滿足其15~20年的乏燃料總量。

而與之形成對比的是，全世界核電每年卸出的乏燃料大約10500噸，截至2008年累計總量已超過270000噸。

如何處理這些“燙手山芋”?目前國際上通常有兩種方法。

一種是“一次通過”方式，即將乏燃料作為“廢物”。經(jīng)過暫時儲存和適當(dāng)包裝后，直接進行最終地質(zhì)處置，將廢物埋藏在500~1000米深的地質(zhì)層中，使之與周圍的生物圈隔離。

另一種是 “閉合燃料循環(huán)”方式，即將乏燃料視為“資源”。經(jīng)過后處理分離出鈾和钚等有用的核材料，回到熱中子或快中子反應(yīng)堆循環(huán)使用。后處理產(chǎn)生的高放廢液經(jīng)過玻璃固化之后，再進行最終地質(zhì)處置。

乏燃料中仍有95%的鈾沒有燃燒，同時還會產(chǎn)生一些新核素，如1%的钚和4%的其他核素。

“法國的燃料閉環(huán)方案是回收鈾、钚等易裂變材料，以及可以利用的次錒系元素等物質(zhì)，并制成核燃料組件再次使用，而其他放射性核素固化制成玻璃塊狀的高放廢物封存。” 詹文龍補充道。

其中，核燃料的增殖是鈾釷資源利用最優(yōu)化的核心，而乏燃料的分離嬗變則關(guān)系到核廢物的最少化。

2010年，國家自然科學(xué)基金委員會發(fā)布重大研究計劃 “先進核裂變能的燃料增殖與嬗變”申請指南，詹文龍帶領(lǐng)的團隊獲批。

次年，福島第一核電站發(fā)生嚴(yán)重泄漏事故，再度為全球核安全蒙上陰影，研究團隊愈發(fā)覺得肩上的責(zé)任重大。

“日本多使用的是法國的閉合燃料循環(huán)方式，投入很大，只進行分離無法有效解決乏燃料問題。我們覺得應(yīng)該盡快開發(fā)出新的完全循環(huán)利用方式，促進全球核能可持續(xù)發(fā)展。”他說。

從1%到95%

想要實現(xiàn)核燃料的增殖與嬗變，需要依靠加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)。

這套系統(tǒng)是加速器、散裂靶和反應(yīng)堆的“結(jié)合體”。“簡單地說，我們篩選出乏燃料中毒性最高的那一部分，用加速器把它給打碎，這樣其壽命可大大縮短，放射性毒性可以消減。”詹文龍說。

2012年，該核能系統(tǒng)中關(guān)于優(yōu)化資源和廢物的新思路在詹文龍腦海中形成了雛形。他的想法是，首先簡化乏燃料再生，先排除大于50%裂變產(chǎn)物再轉(zhuǎn)化為再生乏燃料。然后利用可控高反應(yīng)性快中子燃燒器，燃燒含大于50%裂變產(chǎn)物的再生乏燃料。

在降低毒性方面，則只需對50%的裂變產(chǎn)物提純，剩余50%保持不動。這樣減少了分離的難度，也沒有核擴散的危險。

此外，團隊還原創(chuàng)性提出顆粒流散裂靶的概念并建成原理樣機。其原理和沙漏類似，高密度散裂靶熱可導(dǎo)出異地實時處理，有效減少引起的放射性次級污染。

不過，傳統(tǒng)的ADS只是把長壽命高放核廢料進行嬗變處理為短壽命或低放核廢料后再進行地質(zhì)永久處置。從商業(yè)上來說只有投入沒有產(chǎn)出，是“賠錢”的系統(tǒng)，因此，團隊后又原創(chuàng)性地提出了加速器驅(qū)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(shù)。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(shù)10萬年縮短到約500年。

“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，同時也提高了經(jīng)濟競爭力。”詹文龍表示，目前他們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和應(yīng)用。

AB方案同臺“競技”

據(jù)了解，該重大研究計劃聚集了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的各研究單位。自實施以來，為確保ADS/ADANES的順利實施，項目實行了A/B角、A/B方案，同臺“既合作又競技”。

詹文龍回憶，樣機制作過程中技術(shù)變化很大，尤其在強流超導(dǎo)直線加速器研發(fā)方面，很多小組都提出了不同的技術(shù)路線。“往往上半年提出的方案，下半年就有可能被推翻。”

于是，項目組讓中科院近代物理研究所和中科院高能物理研究所作為A/B角依照各自方案實施制作。經(jīng)過對比研討、攻關(guān)，我國最終引領(lǐng)了這一重大核心技術(shù)。

目前，項目中的加速器技術(shù)在國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施中已有應(yīng)用，并受到部分企業(yè)的青睞，還可衍生至藥物的靶向同位素治療。

值得一提的是，該重大研究計劃大大促進了基礎(chǔ)放射化學(xué)的學(xué)科發(fā)展。

不過，核能研究具有高門檻、高投入、高風(fēng)險和高效益等特點，所需經(jīng)費往往是其他一些學(xué)科的數(shù)倍或幾十倍。同時，核能研究周期較長，一般每一代核電升級需要20~30年。

詹文龍指出，核能研究特別重視基礎(chǔ)、應(yīng)用和工程之間的協(xié)同發(fā)展，在基礎(chǔ)研究成果為國家重大工程項目服務(wù)方面還需要進一步加強。

“希望相關(guān)部門能夠延續(xù)對先進核裂變能方向的資助，繼續(xù)培育學(xué)科力量，更好地發(fā)揮核能在交叉學(xué)科中的支撐作用以及為國家重大需求服務(wù)。”他說。