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这项“太过先进无法展示”的中国黑科技到底是啥

2016-12-30 09:24:27


出品:科普中国

制作:龙魂

监制:中国科学院计算机网络信息中心

12月23日10点17分,中国首座铅基核反应堆零功率装置“启明星Ⅱ号”首次实现临界。这标志着我国加速器驱动次临界系统(ADS)研究完成又一个重大节点,也标志着我国在核反应堆新一代零功率装置研发领域达到国际先进水平。中核集团微博发布消息的时候,配图更是贴出了“太过先进,无法展示”。那么,加速器驱动次临界系统到底有多先进,以至于“太过先进,无法展示”呢?


核废料的安全处理是核电可持续发展的瓶颈

目前,中国发电依旧是以火电为主,水电、风电、光伏发电所占的比重相对较少,而核电的比重也仅为3%。相比之下,2014年核电占全球总发电量的11.5%,在2015年,有19个国家的核电份额在15%以上。

从中可以看出,中国发展核电的潜力巨大。虽然中国核电的发展规划因日本福岛核事故的因素做了调整,但发展核电的大方向未变——到2020年,中国核电的发展目标为运行装机容量4000万kW和在建装机容量1800万kW的;中国工程院在《2050年我国的能源需求》咨询报告中的内容:到2050年,我国核电占一次能源总量的比重要求提高至12.5%(占电力装机容量的20%)。

然而,核电在为人类带来能源的同时,也会产生核废料,以一座100万千瓦的压水堆核电站为例,每年卸出约25吨乏燃料。什么是乏燃料呢?乏燃料是指经受过辐射照射、使用过的核燃料。由于核燃料在反应堆里经中子轰击发生核反应后,会有未用完的核材料以及种类众多的裂变产物。

其中危害性最大的有两类:具有高放射性的次锕系核素,如镎93、镅95和锔96等;具有长寿命裂变产物,如碘129、铯135等。具体来说,25吨乏燃料中有可循环利用的铀约23.75吨, 钚约0.2吨,中短寿命的裂变产物约1吨,还有高放射性的次锕系核素约20千克和长寿命裂变产物约30千克。由于乏核燃料中包含有大量的放射性元素,如果没能安全处理,则会严重影响环境与接触它们的人的健康。而建更多的核电站意味着产生更多的乏燃料,因此,能否对乏燃料进行安全处理是核电可持续发展的瓶颈。

两种以往的核燃料处理模式

目前,国际上主要有两种核燃料处理模式:

一是“一次通过”循环方式。这种是指乏燃料经过适当包装和储存之后,直接进行地质处置。

通俗的说,就是找个合适的地方建造一个乏燃料的棺材埋了。但这种处理方式具有铀资源利用率低、产生的废物量大、废物所需安全处置的时间长等问题——将乏燃料中大量可以循环利益的资源与少量的废物一起处置,不仅造成核原料的浪费,还大幅增加了核废料的处置量,何况高放射性核废料的地质处置库建设十分昂贵。举例来说,美国在尤卡山建立的储藏库就耗资300亿美元。因此,曾经长期采用这种做法的美国也在2006年否定了当年卡特政府的核燃料“一次通过”的核能政策。

二是铀钚再利用的闭式循环模式。

这种模式将乏燃料中的铀和钚分离出来,并制成混合氧化铀钚燃料实现循环再利用,剩下的高放射性核废料和长寿命裂变产物经处理后进行最终的地质深埋。该循环模式可以明显提高核燃料的利用效率,同时也将大幅减小高放射性核废料的处置量。不过这种模式也存在不足,那就是要对高放射性核废料和长寿命裂变产物地质深埋,但漫长的半衰期使这种处理方式依旧存在一定安全隐患。

核废料安全处理新方法

除了之前介绍的两种处理模式外,还有一种更先进的处理模式,那就是分离—嬗变闭式循环。

这种模式是在铀钚再利用闭式循环的基础上,利用嬗变核反应将高放射性核废料中的高放射性、长寿命核素转化为中短寿命、低放射性核素或稳定核素。研究表明,高放射性核废料的放射性水平经过嬗变处理后,可在300—700 年内降低到普通铀矿的放射性水平,需地质深埋处理的核废料体积减少至“一次通过”模式的1/50 和铀钚再利用闭式循环模式的1/10 左右。

ADS嬗变系统

那么具体如何实现呢?这就离不开快中子反应堆和加速器驱动次临界系统了。

加速器驱动次临界系统由强流质子加速器、重金属散裂靶和次临界反应堆三大分系统组成。基本原理是利用加速器产生的高能强流质子束轰击重核产生宽能谱、高通量散裂中子作为外源来驱动次临界堆芯中的裂变材料发生链式反应。次锕系核素与快中子发生裂变核反应,生成半衰期较短和毒性较小的裂变产物;长寿命裂变产物的嬗变主要通过热中子俘获、衰变等核反应过程生成短寿命或稳定的核素。通俗地说,就是制造一个高放射性、长寿命核废料的焚烧炉,将高放射性、长寿命核素转化为中短寿命、低放射性核素或稳定核素。同时,在这个过程中还会释放能量,这些能量可以用来发电,等于将核废料变成了可以用于发电的核燃料,实现变废为宝。

ADS嬗变原理

不过,这种新技术离产业化还有一定距离,世界各国都还在研究中——美国1999年制订了加速器嬗变核废料的ATW计划,从2001年开始实施先进加速器技术应用的AAA计划,全面开展ADS 相关的研究。日本从1988年启动了最终处置核废料的OMEGA计划,后期集中于ADS开发研究。俄罗斯在上世纪90年代开展ADS研发工作。

必须说明的是,目前国际上还没有ADS嬗变系统工程化应用的先例,中国是世界上第一个开展ADS嬗变系统大工程项目研制的国家,而本次取得的技术突破,使中国和全世界离使用更清洁的核能又进了一步。

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来源:中国科普博览 | 责任编辑:孙武
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