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詹文龙院士:加速器驱动先进核能系统,让核能安全高效可持续发展

加速器 核能系统 核燃料
发布:2020-12-23 09:32:39     来源:中科院高能所

在人类生存和文明的可持续发展中能源问题始终发挥着重要而不可分割的作用。当前能源发展面临三大挑战——能源安全、环境污染和气候变化。因此,洁净能源的发展与改善至关重要。12月16日,“高能论坛”邀请到核物理学家、中国科学院院士詹文龙为我们讲述了中国科学家对能源发展的思考,并介绍了加速器驱动先进核能系统的设计思想、核心关键技术与建设进展。

为了应对能源发展的挑战,环境友好的低碳能源将是未来能源发展的趋势,习近平总书记提出了中国要实现“2030碳峰值、2060碳中和”的目标,核能将是实现这一目标不可或缺的能源。当前的低碳能源主要包括水电、太阳能、风能和核能4类。由于太阳能和风能具有间歇性特性,在稳定性和作为基础负载能源方面制约其发展,另外长时间的电能存储仍存在很大困难,作为骨干电网UPS作用的核电不可替代。核电以其稳定、可靠、成规模的优势得到很多国家的青睐,詹院士分享了一组数据:美国核电占其总能源的20%、法国约70%、中国约5%,截止2019年中国核电发电量占国际核电发电量的12.4%、中国在建核电站14台。随着核电的大力发展,其产生的乏燃料处理问题日益突出,而日本福岛事故也让人们更加重视到核安全问题。为了可持续(燃料利用率最大化,放射性废物最小化)、安全可靠的发展核电,同时在提高经济性、防范核扩散方面做出努力,中国科学家创新性的提出了核能系统新思路——加速器驱动先进核能系统(ADANES)。

ADANES系统主要由加速器驱动的燃烧器(ADB)和加速器驱动乏燃料再生(ADRUF)组成。其设计思想是利用可控高反应性快中子燃烧器实现集嬗变、增殖及产能的核燃料燃烧,然后利用低次级沾污的干式处理实现乏燃料再生,形成完全燃料循环的新型核能系统,使得核燃料的燃料效率由当前核电的1%可提高到95%,核废料减少到原来的4%且衰变寿命小于500年,大大降低核废料存储压力和延长核裂变能的供给持续时间。

图1

为实现ADANES的愿景、解决面临的多个方面的核心技术挑战,中国制定了发展路线图(图1)。中国科学院科技先导A类专项支持了I期装置的建设调试,取得了突破性进展、验证了技术路线的可行性,目前发改委已经批准第二期项目加速器驱动嬗变实验装置(CiADS)的建设。在I期建设中实现了多项关键技术突破并将在后续建设中继续攻关:完成了连续波型超导直线加速器样机设计、集成与调试,获得最高功率的连续波束流,调试水平达到国际领先;受沙漏的启发,创新性的提出了颗粒流靶(图2)的设计思想,大幅提高靶的功率承受能力,使功率超过10MW的系统设计成为可能;提出了低次级沾污高温干式处理的再生乏燃料组合新方法,大大减少核废料的产生并降低核扩散的风险;高温陶瓷反应器的设计使得燃烧器系统更加安全;为满足新型靶及先进核能相关系统的设计要求,全新开发了基于GPU和超算的模拟程序,为完成创新方法的验证与系统设计提供了重要的平台,同时为实现数字化ADANES提供助力。

图 2

詹院士介绍了惠州核研究中心的建设进展及发展规划。该中心在建两个重大科技设施:面向能源科学的加速器驱动嬗变实验装置(CiADS)和面向粒子物理与核物理的强流重离子研究装置(HIAF)。在完成各装置科学任务的基础上,科学家们希望最大化利用装置的能力,在基础物理、核材料、放射生物医疗和核技术应用方面做出更大的突破和贡献。詹院士特别介绍了利用HIAF-CiADS产生β束(衰变产生中微子)进行中微子研究的方案和量产靶向α治疗(TAT)的发射α同位素的意义及进展。不同射线的相对生物学效应不同,靶向α治疗与X射线治疗、质子治疗、重离子治疗相互补充(图3),效果良好,具有低剂量、高效、易使用等特点,多个同位素药物获得FDA临床批准。为解决国际上发射α治疗同位素供不应求、急需研发量产新能力的问题,将在装置区内建设量产发射α同位素示范工程,建设周期3年。

图 3

在互动讨论环节,詹院士与云观众及现场观众探讨了聚变能与裂变能的关系与发展前景、加速器驱动核能系统发电的转换效率、乏燃料处理、反应堆运行状态监测等问题。最后詹院士寄语希望通过推动加速器驱动先进核能系统,让核能实现安全高效的可持续发展。(作者:孟才)

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