近日，美国费米国家加速器实验室(Fermilab)和阿贡国家实验室正携手合作，致力于开发一种实用方法，以降低超导直线加速器的尺寸和成本。这一技术在应对废核燃料中长寿命放射性同位素的挑战方面潜力巨大。
阿贡国家实验室物理学家迈克尔·凯利将超导腔体装入大型熔炉。图片来源：阿贡国家实验室
美国能源部(DOE)下属的阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室已获得美国能源部高级研究计划局(ARPA-E)320万美元资助。这笔资金属于ARPA-E“核能废料嬗变优化”(NEWTON)项目的一部分，该项目旨在让美国商用废旧核燃料的后处理在30年内实现经济可行性。
嬗变是原子核转化为不同化学元素或同位素的过程，在此情形下，废核燃料中的长寿命放射性同位素会转化为短寿命同位素。ARPA-E NEWTON项目支持的技术(如嬗变)将加快美国废核燃料库存的处理周期，提升安全性并减少永久长期储存所需的资本支出。
研究表明，在应对美国核电站9万吨核废料带来的挑战方面，粒子加速器在现有技术中潜力最大。超导腔作为线性粒子加速器中堆叠的专用组件，可有效将带电粒子(如质子)加速到能量接近10亿电子伏特(GeV)的高速。
阿贡国家实验室物理学家兼团队负责人迈克尔·凯利表示，这些质子束通过散裂过程，能从由铅或铋制成的重元素靶中产生强中子流。当中子射向核反应堆内的放射性废物时会成倍增加，进而燃烧用过的核燃料，将其转化为衰变速度更快的物质。
不过，目前大多数由纯铌制成的加速器腔体体积庞大，每个造价高达数十万美元，需使用昂贵的中央低温装置冷却，该装置需大量温度在2至4开尔文之间的液氦。当六到八个腔体单元(低温模块)串联时，尺寸相当于火车货车厢。
在为该项目分配的320万美元中，阿贡国家实验室和费米实验室将获得约220万美元，用于开发减小超导直线加速器尺寸和成本、同时提高其可靠性的实用方法。
凯利和他的团队将利用新兴的Nb₃Sn(俗称“铌三锡”)薄膜技术，制造尺寸更小、性能更佳的超导腔。这种薄膜厚度仅2至3微米，约相当于蜘蛛网大小，团队将通过“气相扩散”工艺制造这些腔体。
新型铌-三锡腔体所需氦气冷却量更少，还能用可能只有咖啡罐大小的腔体取代如今热水器大小的大型腔体，加速器低温模块的物理尺寸将缩小三到五倍。
凯利称：“我们认为这意义重大，除非进行更多研发，否则无法确切知道规模和成本的降低幅度，这正是本次研发计划要解决的主要问题。”
铌-三-锡技术有助于消除低温装置相关的单点故障，能用新一代小型插入式制冷机取代大型液氦制冷机。通常，液氦制冷机故障会导致加速器完全关闭。研究人员希望通过淘汰大型制冷机，用一组分布式容错10瓦低温冷却器取代，避免这种强制关机。
参与该项目的另一位阿贡物理学家Brahim Mustapha表示，加速器必须极其可靠，正常运行时间需达到95%或更高，以避免嬗变过程中断。若加速器停止，反应堆内产生中子的散裂靶会冷却，重新启动时靶会升温，频繁的停停启动序列会产生热应力和机械应力，可能损坏靶。
凯利的团队已在使用阿贡串联直线加速器系统(ATLAS)，该系统是美国能源部科学办公室在阿贡国家实验室的用户设施，团队正通过开发低温冷却器提高系统可靠性。作为独立项目的一部分，团队运用人工智能、机器学习和其他策略，最大限度减少因故障导致的加速器停机时间。
参与ARPA-E NEWTON资助项目的研究人员的最终目标是演示两个针对接近50%光速的质子进行优化的高性能铌三锡涂层腔体，这是迈向全高功率加速器的关键一步。他们还计划开发针对铌三锡优化的端到端直线加速器设计和概念布局。
该项目面临诸多挑战。例如，中速腔体表面难以触及，需要相对复杂的几何形状，这些不规则形状可能阻碍光滑均匀的铌-三锡薄膜沉积，导致污垢或灰尘等杂质进入薄膜涂层造成污染，即使是微小污染物或几何不规则性都可能降低超导腔性能。
阿贡国家实验室团队主要负责铌-三锡直线加速器及腔体的设计与演示，费米实验室则提供专业知识和基础设施，用于执行铌-三锡技术的基础——气相扩散工艺。格里戈里·埃列梅耶夫(Grigory Eremeev)和萨姆·波森(Sam Posen)两位资深科学家，均于2016年荣获美国能源部早期职业奖，他们正在领导费米实验室的工作。
波森称：“能源部的支持使费米实验室能够开发出高性能铌-三锡涂层设施，并开发出在复杂几何形状腔体中实现高性能的技术，现在我们正以此为基础，推进涂层技术的发展，并将其应用于这些激动人心的应用。”
埃雷梅耶夫表示：“铌-三-锡薄膜对于此类应用至关重要，虽然复杂的几何形状对于沉积来说具有挑战性，但我们在与阿贡国家实验室的合作中已经取得了优异的成果。”
展望未来以及加速器整体建设，实现该技术的工业化至关重要。为实现这一目标，该项目与两家公司合作。RadiaBeam将实现铌锡腔体制造工艺的大部分或全部工业化，而RadiaSoft将对拟议的直线加速器设计进行可靠性研究。
该项目是2025年选定的11个项目之一，将获得ARPA-E NEWTON计划4000万美元的资助，用于开发能够实现废核燃料转化的尖端技术。
获资助的另一个项目将补充阿贡国家实验室和费米实验室的联合研究。在阿贡国家实验室核科学与工程部门核系统分析小组负责人、首席核工程师Taek Kim的带领下，一个研究小组正在开发一种采用创新分离方法去除裂变过程中废弃副产品的新型嬗变系统，该方法利用基于裂变产物反冲距离的离心力。裂变是将一个原子核分裂成两个或多个较小原子核的过程，并释放出大量能量。
这些项目将共同构建一个完整的加速器驱动的核废料嬗变系统。通过显著降低现有商用废核燃料库存的质量、体积、活度和有效半衰期，这些项目以及其他由ARPA-E NEWTON资助的项目将有助于把废核燃料处置从代际问题转变为代内问题。
除了阿贡实验室的凯利和穆斯塔法、费米实验室的埃列梅耶夫和波森之外，项目团队还包括阿贡实验室工程师特洛伊·彼得森和托马斯·里德、费米实验室技术员布拉德·坦尼斯、RadiaBeam工程师罗纳德·阿古斯特森以及RadiaSoft总裁乔纳森·埃德伦。
