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1、32 2016年 . 第31卷 . 增刊1 立项背景和意义核裂变能是一种安全、低温室气体排放且经济性好的能源。然而，核裂变能的可持续发展面临着诸多挑战，尤其是在日本福岛事故之后，公众对发展核能存有恐惧心理，这就对未来先进核能系统的安全性提出了更为严苛的要求。在确保安全（safety and security）的前提下，核裂变能的长期可持续发展必须经济可行地解决核燃料的稳定供应和核废料的安全处理两大问题。后一个问题是我国乃至国际核能界无法回避的重大问题，也是尚未解决的世界性难题。加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven Sub-crit-ical System，ADS）具有强大
2、的嬗变能力、良好的中子经济性、优良的系统安全性，不仅在嬗变核废料方面有难以替代的优势，还具备增殖核燃料和利用钍作为燃料发电的潜力，被国际公认为最有前景的利用嬗变安全处置长寿命核废料的技术途径（图 1）。图 1 核燃料循环模式过程效果图ADS 系统由加速器、散裂靶和反应堆三大分系统组成。其工作原理是，利用加速器产生的高能强流质子束轰击重核产生宽能谱、高通量中子作为外源来驱动次临界堆芯中裂变材料发生持续的链式反应，使得长寿命放射性核素最终变为非放射性的或短寿命的核素，并维持反应堆运行（图 2）。图 2 ADS 原理示意图目前，国际上尚未建成 ADS 装置。欧盟各国、美、日、俄等核能科技发达国家均制
3、定了ADS 中长期发展路线图，正处在从关键技术攻关逐步转入建设集成系统的 ADS 原理研究装置阶段（表 1）。我国从 20 世纪 90 年代起开展 ADS 概念研究，在科技部、基金委及中科院等项目支持下开展了前期研究工作。2011 年 1 月，中科院适时启动战略性先导科技专项“未来先进核裂变能ADS 嬗变系统”（以下简称“ADS专项”），并在专项实施过程中逐步形成了我国加速器驱动先进核能系统（Accelerator Driven Advanced 未来先进核裂变能ADS嬗变系统中科院战略性先导科技专项（A类） Strategic Priority Research Programs (Cate
4、gory A) of the Chinese Academy of Sciences10 0001 0001001010.1相对放射毒性天然铀时间（年）分离-嬗变闭式循环一次通过燃料组件核电站乏料暂存乏料后处理-乏燃料-乏燃料 地质永久处理铀矿采选Uf. 转换钚铀浓缩嬗变燃料组件核电站乏料暂存乏料后处理地质永久处理铀矿采选Uf. 转换钚铀浓缩燃料组件核电站乏料暂存地质永久处理铀矿采选Uf. 转换浓缩10 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 需地质深埋核废料体积（玻璃固化）减小为1/50需地质深埋核废料体积（玻璃固化）减小为1/4加速器自 用外输出电中子裂变子核
5、次临界装置嬗变散裂中子重金属散裂靶束流功率 10 MW院刊 33未来先进核裂变能ADS嬗变系统Nuclear Energy System，ADANES）发展路线图（图3），分 4 个阶段实施：（1）原理研究及关键技术攻关阶段。由 ADS 专项支持，初步证明 ADANES 物理原理的可行性，并在设计中进行优化，同时申报“十二五”国家重大科技基础设施“加速器驱动嬗变研究装置”（China Initiative Accelerator Driven System，CIADS）；（2）“ADANES重大项目”系统集成及规模验证阶段。完成 ADANES 燃烧器系统验证装置 CIADS 建设，开展 ADA
6、NES 燃料循环再生循环系统（Accelerator Driven Recycle of Used-Fuel，ADRUF）原理验证，期间争取国家重大项目立项；（3）“ADANES重大项目”示范工程阶段建设阶段。在国家重大项目支持下，建成百兆瓦级 ADANES 工程示范项目；（4）ADANES系统工业应用阶段。由企业主导进行 ADANES 系统商业化应用推广。图 3 我国 ADANES 发展路线图2 取得的进展本专项作为 ADANES 发展路线图中的第一阶段，其目标旨在着力解决 ADS 加速器、散裂靶、反应堆系统中的各单项关键技术问题。同时，根据示范装置的需求开展前瞻性研究工作，发展 ADS 研
7、究所需的平台基础。再利用 CIADS 建设项目的支持，从整机集成的层面上掌握 ADS 各项重大关键技术及系统集成与 ADS 调试经验，为下一步建设 ADANES 示范装置奠定基础。专项启动至今，已在超导质子直线加速器、重金属散裂靶、次临界反应堆及核能材料等研究方面取得了重要进展和突破，一些关键技术达到国际领先或先进水平。总体来说，我国 ADS 研究已经从基础研究阶段向工程实施阶段开始过渡。2.1 超导质子直线加速器实现了离子源、RFQ（射频四极）加速器、低超导腔、高功率耦合器、功率源、超导磁体、低温恒温器等超导直线加速器所需单项技术突破，并已进行系统集成研究。在单项技术突破方面。研制成功高稳定
8、度的强流质子源；162.5MHz2.1MeV ADS RFQ 加速器通过了中科院重大科技任务局组织的专家现场技术测试，这是继美国洛斯阿拉莫斯（LANL）国家实验室 LEDA RFQ 后，国际上第二个达到或超过 10mA 的连续波质子束 RFQ 加表 1 国际ADS设计参数一览表（部分）项目加速器功率（MW）Keff堆功率（MW）中子通量（n/cm2/s）靶燃料欧盟MYRRHA2.4（600MeV/4mA）0.955851015铅铋MOXAGATE6（600MeV/10mA）0.950.97100快, 1015钨MOXEFIT16（800MeV/20mA）0.97数百快, 1015铅（无窗）MA
9、俄罗斯INR0.15（500MeV/10mA）0.950.975快钨MA/MOXNWB3（380MeV/10mA）0.950.98100快, 101415铅铋UO2/UN U/MA/ZrCSMSR10（1GeV/10mA）0.95800 cascade scheme中间 51015铅铋Np/Pu/MA 熔盐日本JAERI-ADS27（1.5GeV/18mA）0.97800快铅铋MA/Pu/ZrN韩国HYPER15（1GeV/1016mA）0.981000快铅铋MA/Pu基础研究ADANES 燃烧器（CIADS）ADANES 燃烧再生处理（ADRUF）ADANES 工业示范系统强流超导直线加速器
10、高功率颗粒流散裂靶快中子此临界高温堆干式乏料预处理流程高燃耗颗粒密堆燃料抗辐照耐高温碳化硅自主知识产权软硬件可持续少排放低风险高效能原理研究 原理验证 技术验证 工业推广 2016 2000 2030ADS先导专项、基金委、 科技部等项目支持争取国家重大专项对这 两个阶段进行统一支持34 2016年 . 第31卷 . 增刊中科院战略性先导科技专项（A类）速器, 也是目前国际上稳定运行的连续波离子束 RFQ 加速器中束流强度最高的；325MHz3.2MeV ADS RFQ 加速器束流平均功率位于世界最高；Spoke012 超导腔是目前国际上 值最低的 Spoke 腔，目前已实现 Spoke012
11、 双腔系统集成和 2K 低温下带束流运行；Spoke012、Spoke021、HWR010 超导腔垂直测试性能指标达到了国际先进水平。在系统集成方面。“在系统集成方面。注入器I获得了能量 10 MeV、流强为 2.1 mA 的连续波（CW）质子束。注入器 II 先后获得能量 10.06 MeV、流强 11.8 mA 的脉冲束与能量约 10 MeV、流强 1.12.7 mA 的连续束。两台注入器达到的性能指标，均达到了ADS 先导专项的指标要求，并超过了国际上目前唯一处于调试运行中的以色列连续波强流超导直线加速器装置（SARAF），居国际领先水平。后续，ADS 加速器团队将继续向下一阶段 202
12、5 MeV 的能量目标奋勇挺进。2.2 重金属散裂靶基于颗粒流靶的各项技术验证及台架实验现已全面启动，样机各分系统和回路均已就绪，即将进入联调实验阶段。2.3 次临界反应堆完成了具有临界和加速器驱动次临界双模式运行能力的创新型 10MW ADS 铅铋冷却研究实验堆的详细方案设计并通过国际同行专家系列技术评审和设计评估；建成了多功能铅铋堆技术综合实验回路 KYLIN-II，集材料服役、热工水力及安全实验于一体，可为铅铋堆材料服役性能、热工水力、非能动余热排除技术和堆事故安全特性等方面提供基础研究和工程验证平台；完成了铅铋环境下换料机构和控制棒驱动机构等 CIADS 装置用铅铋冷却反应堆关键部件样
13、机研制及铅基堆工程技术集成试验装置 CLEAR-S 工程设计；完成零功率装置的安装、调试和临界准备。2.4 平台及配套设施建成了超导腔焊接加工工艺实验室、超导腔处理与测试平台、低温站、乙级放化实验及放化材料计算平台、核材料辐照/辐射/高温协同作用综合实验平台、散裂靶设计模拟软硬件平台、核数据测量平台、液态铅铋散裂靶关键技术研究平台等，保证了先导专项各项研究工作的顺利推进。2.5 总体方案及选址确定了 CIADS 总体设计方案并形成了项目建议书，并于 2015 年底获得国家发展改革委立项批复；确定了场址，完成了新园区场址初步可行性分析报告及场址普选阶段的环境影响报告。2.6 前瞻性探索研究在材料
14、研究方面，目前已完成 5 吨级 SIMP 钢制备；同时，开展了 SiC 复合纤维材料研发，建成第三代 SiC 复合纤维中试生产线。在核燃料制备方面，完成了铀纳米材料的制备和系列锕系有机化合物晶体的合成，制备出不同粒径的铀球和铈球，开展了50% 部分裂变产物排除法和包含次锕系新燃料元件制备探索研究，原理基本可行；在反应堆先进二回路设计方面，获得了主换热器、回热器优化设计方案并加工完成实验样机，建成了 LBE-He 换热综合实验平台。在中科院先导专项中期检查中，ADS 系统和关键技术研究获专家高度认可。在国际评估中被专家评为国际领先（International leadership），并被 IAE
15、A 列入到相关工作组合作计划中。在中科院所属研究所“十二五”验收中，近物所“一三五”中突破 ADS 关键技术被评为院“百优”。近物所 ADS 研究团队荣获 2015 年“中国科学院先进集体”荣誉称号。2015 年度 A 类先导专项绩效评估综合排名第一。3 独创性我国 ADS 研发经历了从无到有，从跟踪研究到原始创新的艰难发展历程。随着 ADS 专项的实施，众多独创性的理论、方法和技术被不断提出，并在试验和认识循环往复的过程中不断优化，如：院刊 35未来先进核裂变能ADS嬗变系统（1）提出 ADANES 全新概念和方案，并基本完成了原理的模拟试验验证。它是集核废料的嬗变、核燃料的增值，以及核能发
16、电于一体的先进核燃料闭式循环技术。目前，ADANES 已由中科院向国家提交专报并获得批示，国内外反映积极，科技部、发改委、国防科工局联合评议结果建议“支持发展 ADANES，分阶段逐步实施”，并已同中广核、广东省、福建省政府签订战略合作协议。（2）创造性地提出了新型流态固体颗粒靶概念并完成初步设计，与电子束耦合的小型台架原理性实验获得成功。该方案受到同领域专家积极评价和关注，欧洲核子中心 CERN 已联合多家欧洲实验室开展束流实验，比利时的 MYRRHA 团队也已安排人员和经费开展相关设计。（3）在材料研究方面，自主配方、自主研制的 SIMP 钢，其已测试的性能指标均优于或不亚于目前国际主流核能装置用抗辐照结构材料，有望成为一种新的核能装置候选结构材料。4 对产业的意义ADS 专项以实现我国核废料安全处理为切入点开展 ADS 原理及关键技术研究，并利用 CIADS 及 ADRUF建设项目的支持，为最终建造我国 ADANES 工业示范装置及商业化推广奠定技术基础，这将对保障我国核裂变能长期
