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漫谈绿色核能发展之路(2):ADS原理、优势和进展

2012-03-22 09:37:28 来源:

按语:最近我应“百科知识”编辑部之约,他们来函说:“几起大的核泄漏事故发生后,许多人对核电站的安全性非常担忧,可是面临能源短缺的问题又不得不发展核电,那么,未来有没有洁净而安全的核裂变能可供选择呢?中科院提出4个A类战略性先导科技专项,其中之一就是“未来先进核裂变能”,具体包括两个系统:一是钍基熔盐(TMSR)核能系统,另一是加速器驱动的次临界堆(ADS)嬗变系统。您能否介绍一下这两类核能,它们是怎样产生核能的,先进之处在哪里,安全性有何提高,还需多久才能投入实际应用以及在这一过程中所需解决的难题等。”我答应来学习和回答提出的问题。我编写了一个稿给了编辑部,但是他们认为,写得太长了,有的地方太深了,读者恐难以理解。所以,最后稿大大压缩了。现在我把详稿发在博客上,提供参考。请提出宝贵意见,也是我再学习的好机会。·

目前常规核电的存在的弊端主要有两点,一是反应堆中的铀资源利用率低(小于1%)、二是可能导致超临界事故造成放射性泄漏和核废料后处理困难等问题,如2011年日本福岛那样的核泄露事故。针对裂变核能的上述两大弊端和出现个严重核事故的历史与现状,1993年西欧核子中心(CERN)诺贝尔奖获得者C.Rubbia领导的一个小组,提出了关于能量放大器获得干净核能的新原理,即强流加速器驱动的放射性洁净核能系统(ADS)。图1为ADS的工作原理方块图。

加速器驱动的洁净核能系统(ADS)示意图

图1 加速器驱动的洁净核能系统(ADS)示意图。 

ADS系统的最大特色是将20世纪最重要的两大核科学装置:即把粒子加速器和核反应堆两者巧妙而紧密地结合起来,国内外学者并不满足于常规核电现状, 一些国家已经和正在设计新一代更安全 、更干净 的核能系统—强流加速器驱动的次临界堆 , 即放射性洁净核能系统,它是下一代核能源的首选方向之一,因为它能有效地利用铀和钍资源,嬗变长寿命高放射性废物和提高核安全水平。它可以克服常规 核电产生武器级的核燃料、铀资源利用率低(1%)及可能导致超临界事故所产生的放射性泄漏等严重的缺点。ADS可以克服常规核电的这些弊端,构成了新的更安全 、更干净 、更便宜的核能系统。但是, 它 对于加速器的要求比现有的加速器超过数十至上百倍。例如 , 它要求采用强流中能质子加速器, 质子流高达10~250mA,能量在0.8一1.6GeV, 束损率必须小于10-5~10-8/m.

ADS的基本工作原理如图1 所示,利用核反应嬗变废物中的高放射性核素,以达到低放射性与洁净核能输出利用加速器驱动的嬗变是主要原理与关键技术.如果加速器的流强为20mA,每个质子可产生30个中子,则外源中子由加速器产生的中能质子轰击靶得到3.6x1018中子/s,假设次临界装置的效率Keff=0.98(该堆特点是Keff<1),这部分外中子将被放大1/(1-Keff)倍,即放大30倍,在次临界装置内形成约1015中子/cm·s的稳定中子通量。若以铀-238或钍-232作为燃料,在次临界装置中会发生下列过程:

铀-238+中子→镎-239(β-1衰变)→钚239

钍-232+中子→钍-233(β-1衰变)→镤-233(β-1衰变)→铀233

这样,即将热中子几乎不能引起裂变的铀-238或钍-233分别转变为裂变截面较大的钚-239或铀-233, 然后通过钚-239或铀-233的不断再生裂变,源源不断地输出附加的能量。与常规核电站不同的是,次临界装置不必满足Keff=1的苛刻条件,对堆芯参数变化不敏感, 因而可以在堆芯装添长寿命放射性废物,利用装置内强中子场将其嬗变,即将长寿命放射性废物转变为短寿命的。由上可见:ADS具有能量放大的功能,对于以钍为燃料的块中子堆,能量放大倍数可达150,这意味着:一个功率10MW的加速器可以驱动功率为1.500MW的驱动堆式核电站,因此驱动堆式核电站比常规核电站有明显的优点,已成为国际上核能的研究重要方向和热点。从ADS的原理方块图可见,ADS系统的最大特色是将20世纪最重要的两大核科学装置:即粒子加速器和核反应堆两者巧妙而紧密地结合起来,其基本思想是:利用强流质子加速器产生的质子束与靶相互作用,产生大量快中子以驱动次临界反应堆来获得能量增益。它可以克服常规核电的弊端,构成了新的更安全、更干净、更便宜的洁净核能系统。ADS具有能量放大的功能,对于以钍为燃料的快中子堆,能量放大倍数可达150。这意味着一个功率10MW的加速器可以驱动功率为1500MW的驱动堆式核电站。因此,驱动堆式核电站比常规核电站有明显的优点,已成为国际上21世纪的核能发展的一个最诱人技术的选择和的核能创新发展的一个方向。但是,ADS对加速器的要求比现有的加速器超过数十至上百倍。例如它对强流中能质子加速器的要求是,质子流高达10~250mA,能量在0.8 ~ 2.0GeV,束损率必须小于10-5~10-8/米。因此,实现洁净核能系统面对科学、材料和工程技术等一系列极具挑战性的重大问题。

由于国际上迄今还没有实现ADS的国际先例,可见其难度非常之大。21世纪初,在中国核工业总公司组织下,中国原子能科学院与中国科学院高能物理研究所在973项目的资助下开展了ADS合作研究,已经取得了阶段性的可喜进展。在2011年10月中国原子能科学研究院“嬗变核废料的加速器驱动次临界(ADS)系统关键技术研究”项目通过了中国核集团公司组织的13人专家组的验收。专家组经认真讨论认为,各个课题按照项目的总体安排开展了相应工作,实现了课题的研究目标,取得的重要成果主要表现在:掌握了ADS系统的原理验证装置设计的关键物理热工技术基础,具备了开展初步设计的能力和水平;建成了ADS研究的次临界实验系统,并使“启明星1号”实验装置成为了国际原子能机构ADS研究基准实验装置;改进完善了现有的中高能核数据库,补充了若干国际上没有的核数据,研制了裂变核中能核反应理论模型程序;采用独特的离子源结构,使离子源束流参数达到了国际上同类源的先进水平,RFQ的输出束流主要性能继续处于国际先进水平;首次获得了国产材料在高能质子和中子混合场条件下的辐照性能数据,利用建立的国内首台三束(重离子、氢、氦)同时辐照实验装置首次获得了国产ADS材料的辐照性能数据;建立了自主知识产权的干法后处理熔盐体系,为推进我国干法后处理技术研究奠定了基础。

ADS的国内外学术交流活动也比较活跃, 例如,2010年7月7日至8日,加速器驱动次临界系统(ADS)国际研讨会在高能所举行。诺贝尔物理学奖得主、欧洲核子中心(CERN)前任所长、ADS的提出者Carlo Rubbia首先作了有关次临界钍反应堆的报告,报告中对核能的利用、钍资源情况、钍反应堆技术等作了阐述。之后,比利时核子研究中心(SCK•CEN)副所长Hamid Aït Abderrahim和跨国公司Aker Solutions的三名专家分别介绍了MYRRHA项目以及加速器驱动钍反应堆(ADTR)。来自国内外60多名专家参加了本次会议。中国科学院副院长詹文龙在会上作了“中国ADS发展路线图”的报告,报告中介绍了国内与加速器相关的大科学装置以及与核能研究发展相关的ADS项目的启动、实施以及下一步发展做了细致详尽地讲解。专家们分别就国内高能质子加速器、钍资源及其提纯技术、基于钍熔盐反应堆的先进核能源开发、ADS基础研究和ADS相关研究等内容进行了报告。另外,亚洲ADS与核嬗变技术国际学术研讨会已经开了九届. 第九届于2011年12月5日至7日在南华大学召开,来自俄罗斯、日本、韩国和中国的40余名专家学者共同就洁净核能事业发展进行研讨交流。核废物的妥善处置、裂变资源的可持续发展和杜绝临界安全是裂变核能发展至关重要的因素,ADS与核嬗变技术正是处理以上问题的强有力工具。与会的国内外专家学者围绕ADS及核嬗变技术的国际研究进展和现状、核数据与加速器技术、铅铋冷却与核燃料循环技术、实验核反应堆物理技术、反应堆物理数值计算等专题作了广泛的交流讨论。专家们认为,尽管历史上发生的三里岛事故、切尔诺贝利事故、福岛事故对裂变核能的发展提出了严峻的挑战,但致力于安全、洁净核能系统的开发,必将继续在历史舞台扮演不可替代的角色,特别是,发展绿色的和平的裂变核能时代即将到来。

ADS次临界堆实验平台:“启明星-1号”研究进展

在中国原子能科学研究院(CIAE)建成了我国ADS次临界堆实验平台,称为“启明星-1号”( V enu s 1 #)。它是为了验证我国加速器驱动洁净核能系统 (ADS)而设计的次临界实验装置, 该装置是我国研究ADS次临界中子学的一个快热耦合系统。2005年7月18日“启明星1号”实现首次装料后,当年12月与加速器实现成功对接,由已有氘氚反应产生的中子来驱动启明星1号。系统依靠外源中子维持运行 ,在该装置上已经完成了外推实验,并进行脉冲动态实验,该项工作已取得阶段性成果。

在“启明星1号”上已开展了一些反应堆物理的实验工作,其核心问题之一是确定反应堆内中子通量按空间和能量的分布. 已经利用这个平台进行了ADS的原理性实验验证工作,开展的ADS次临界反应堆物理工作,取得了一些基础性研究成果,验证了次临界反应堆的基本原理是正确的,例如:研究次临界堆芯的动力学行为和次临界 keff的实时测量和监督方法;用于宏观检验相关核数据和校对中子学计算程序;测量了中子通量密度时空特性,利用建立的数据采集分析系统初步开展了堆芯不同位置瞬发中子通量密度随时间的衰减特性实验研究,论证了“启明星—1号” 中子通量密度时空特性;提出了工程性ADS系统将可能带来的安全问题.提出了测量瞬发中子衰减常数最直接的方法——脉冲中子源法;对数据采集分析系统进行了相关分析;运用MCNP程序计算得到“启明星—1号”的  keff为 0. 962 46 , 而“启明星—1号”的设 计 要 求 为keff在0. 95 ~0. 98 间可调,计算值满足ADS要求。在这个平台上研究还表明:提高外中子源能量可以提高ADS系统功率。原则上 ,当加速器停止运行时, “启明星—1号”立即“熄火 ”,不存在临界事故问题。国际上对我国在ADS的次临界反应堆物理和强流加速器的研究成果和重要进展,尤其是“启明星1号”实验装置成为了国际原子能机构ADS研究基准实验装置;可见研究成果得到了肯定和赞赏。

强流质子直线加速器

ADS驱动堆的另一个关键部分是强流质子中能加速器,要求强流加速器必须能够提供几十兆瓦质子束,用来驱动次临界核反应堆。ADS加速器的最佳选择是采用超导直线加速器(SCL),效率高,束流损失少。ADD加速器由5 MV射频四极加速器,100 MV独立调相超导腔加速器和1 GV椭圆超导腔加速器组成。这是ADS系统的一大关键核设备,并且ADS对于强流加速器的要求非常高,比现有的加速器超过数十至上百倍,实验已经发现在强流质子流下产生了束晕(Halo)-混沌现象,即在在高密度束核的外围弥漫着许多粒子,伴随一种复杂的时空混沌运动,粒子因此最容易打到加速器器壁和其他部件上,足以产生超标的放射性剂量和损坏加速器的结构元件等,将会导致严重的危害性. 例如, 在加速器中具有1Gev的1nA/m质子束打到器壁上, 在加速器关闭一小时之后, 就可产生超标的放射性剂量, 使距离加速器30Cm处地方, 出现高达 0.20mSv/h放射性剂量, 这给环境和人身的安全造成危害, 如果出现这种放射性剂量超标现象, 何谈核能安全干净?因此,实现ADS洁净核能系统的关键问题之一就是:必须提出一套有效设计新型强流加速器的方法,不仅必须深入研究这类束-混沌的特性及其产生的物理机制,而且需要研究如何实现对束晕-混沌的有效控制等策略方法。这样,才能确保加速器周围环境与人身的安全,真正达到安全高效地利用洁净核能。上述要求向加速器物理提出了一系列极富挑战性的新课题。我国不仅在强流中能加速器装置的研制方面取得了成果;而且在理论上揭示和发现了束晕-混沌产生的若干物理机制方面,在国际上首先提出了束晕-混沌的一些有效控制方法。

此外,由于中能质子强流加速器具有束流强度高、粒子注入和引出容易以及能量可调等突出优点, 在科学研究、国防领域和国民经济领域有着广泛而重要的应用和发展前景。这类加速器中传统的束流传输网络有两种最基本的形式:圆环形和直线形,并可由两者组合成多种多样的网络结构。加速器中最重要设备之一是强流离子源,我国已经研制的强流离子源的束流参数达到了国际上同类源的先进水平,并使具有射频四极RFQ的加速器的输出束流主要性能一直处于国际先进水平。国际上已经研制了许多强流质子加速器,它们有不同的重要用途,包括:作为散裂中子源,用来驱动次临界反应堆(洁净核能系统),用于生产军用核材料,钚和氘、放射性洁净核能的生产、嬗变核废物等;作为中微子工厂、m子对撞机等应用于高能物理、工业和医疗等领域。 

由于国际上迄今还没有实现ADS的国际先例,可见其难度之大。我国正在继续推进该项先进核能的工作进一步深入研究,向着既定目标前进

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