其中，CIADS作為我國加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)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(yàn)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(jìn)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(jì)劃“先進(jìn)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(jìn)核能體系中的核燃料及其核過程、核燃料在先進(jìn)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(jī)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(jì)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(jì)劃取得的經(jīng)驗(yàn)，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(bào)廢計(jì)劃路線圖，將從2021年開始取出核燃料殘?jiān)⒘幵?031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(jì)劃“先進(jìn)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(xiàng)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(yùn)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(jì)劃指導(dǎo)專家組組長、中國科學(xué)院院士詹文龍表示，實(shí)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(shí)間長達(dá)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(jì)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(jì)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(shí)儲(chǔ)存和適當(dāng)包裝后，直接進(jìn)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(jìn)行最終地質(zhì)處置。

乏燃料中仍有95%的鈾沒有燃燒，同時(shí)還會(huì)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(bǔ)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(huì)發(fā)布重大研究計(jì)劃 “先進(jìn)核裂變能的燃料增殖與嬗變”申請指南，詹文龍帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(jìn)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(jìn)全球核能可持續(xù)發(fā)展。”他說。

從1%到95%

想要實(shí)現(xiàn)核燃料的增殖與嬗變，需要依靠加速器驅(qū)動(dòng)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(dòng)。這樣減少了分離的難度，也沒有核擴(kuò)散的危險(xiǎn)。

此外，團(tuán)隊(duì)還原創(chuàng)性提出顆粒流散裂靶的概念并建成原理樣機(jī)。其原理和沙漏類似，高密度散裂靶熱可導(dǎo)出異地實(shí)時(shí)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(jìn)行嬗變處理為短壽命或低放核廢料后再進(jìn)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(tuán)隊(duì)后又原創(chuàng)性地提出了加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)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(kuò)散特性的先進(jìn)核燃料閉式循環(huán)技術(shù)?？蓪⑩欃Y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(shí)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(shí)也提高了經(jīng)濟(jì)競爭力。”詹文龍表示，目前他們已完成了一系列實(shí)驗(yàn)室模擬原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)并取得了突破性進(jìn)展和應(yīng)用。

AB方案同臺(tái)“競技”

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

詹文龍回憶，樣機(jī)制作過程中技術(shù)變化很大，尤其在強(qiáng)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(xiàng)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(shí)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(xiàng)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(jì)劃大大促進(jìn)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(xiǎn)和高效益等特點(diǎn)，所需經(jīng)費(fèi)往往是其他一些學(xué)科的數(shù)倍或幾十倍。同時(shí)，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(xiàng)目服務(wù)方面還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

“希望相關(guān)部門能夠延續(xù)對先進(jìn)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。