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1、加速器驱动次临界系统 Accelerator Driven Sub-critical Systems 2016/12/19 蒋伟,目录,加速器驱动次临界系统(ADS)的研发背景 加速器驱动次临界系统(ADS) ADS的发展现状及趋势 ADS先导专项研发进展 ADS未来展望,一.加速器驱动次临界系统(ADS)的研发背景,发展清洁能源是我国及全球能源可持续发展的战略选择。核裂变能是技术成熟的清洁能源，具有高效、低碳排放、安全可靠和可规模生产的突出优势，是解决未来能源供应、保障经济社会可持续发展的战略选择。,要实现核裂变能的快速、可持续发展，在确保安全的前提下必须解决两个重大问题：核燃料的稳定可靠供
2、应和乏燃料(尤其是其中的长寿命高放射性核废料)的安全处理和处置。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。,根据乏燃料和高放射性核废料处理处置方式的差异，国际上主要有三种核燃料循环模式：一次通过的“开环”模式，铀/钚再利用(MOX燃料)的“闭式循环”模式，和“分离嬗变”(partitiontransmutation)闭式循环模式。,1.核裂变能的快速发展,2.乏燃料与核废料,3.核燃料的“分离嬗变”循环策略,二.加速器驱动次临界系统(ADS),由Brookhaven 国家实验室H.Takahashi 和G.VanTuyle 领导的研究团队最早在80 年代的后期
3、发展起来的具有现代意义的、旨在探索先进核能系统、提高核安全和解决核废料安全处置的ADS的概念。,1991 年，Los Alamos 国家实验室的C. Bowman 第一个给出了嬗变装置的详细设计方案，该方案利用来自加速器的高能质子束流产生散裂中子去驱动次临界、热中子反应堆，目的是实现核废料嬗变与核能发电。此外，Brookhaven国家实验室的H.Takahashi 提出了基于快中子次临界包层的设计方案，其主要目的是焚烧次锕系核素。,1993 年，Carlo Rubbia 和他领导的工作团队提出了“能量放大器”的概念。这是一个基于铀钍循环的次临界核能系统，通过一个强流质子加速器产生的外中子源驱动
4、进行核能发电，同时大大减少次锕系核素和长寿命裂变产物的量。随后开展了一系列实验研究，验证了加速器驱动次临界系统的原理与可行性6，7。,1.ADS概念的形成,2.ADS的构成与原理,ADS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，它集成了20 世纪核科学技术发展的两大工程技术加速器和反应堆技术。 其基本原理是，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。散裂中子和裂变产生的中子除维持反应堆功率水平所需以及各种吸收与泄露外，余下的中子可用于核废料的嬗变或核燃料的增殖。 次锕系核素与快中子发生裂变核反应，生成
5、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。如99Tc 俘获一个中子后生成半衰期为15.8 s的100Tc，再经过衰变后变成稳定核素100Ru；129I 中子俘获生成半衰期为12.4小时的130I，最终经过衰变至稳定核素130Xe。,目前世界上尚无建成ADS集成系统的先例，这在一定程度上阻碍了ADS技术的深入研究，特别是系统集成及核废料嬗变的实验验证等方面的研究。 ADS次临界反应堆系统面临的主要问题为散裂中子源带来的堆芯内功率分布不均匀，新型冷却剂的热工及材料相容性，加速器失束时对反应堆的热冲击，长时间强中子辐照等极端环境下
6、的燃料元件及材料问题等。同时还要解决ADS的核燃料所涉及的乏燃料的铀、钚分离，次锕系核素的分离以及新型燃料组件的制备等难题。,3. ADS的技术挑战,三.ADS的发展现状及趋势,1. 国外的发展现状及趋势,目前国际上关于ADS的学术交流、研讨会及科技合作日益活跃与频繁，欧盟各国以及美、日、俄等核能科技发达国家均制定了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系统集成的ADS原理验证装置阶段。,欧盟联合了40 多家大学和研究所等机构，充分利用现有核设施合作开展实验研究。 如MUSE 计划开展ADS 中子学研究；MEGAPIE 计划开展MW级液态PbBi 冷却的散裂靶研究；MYRRH
7、A计划期望在2023 年左右建成由加速器驱动的铅铋合金(PbBi)冷却的快中子次临界系统，其主要设计指标为功率85 MWth 的反应堆，600 MeV/4 mA的强流加速器，铅铋合金作为靶和冷却剂；MAX计划的目的是为MYRRHA的加速器装置的最终设计方案提供第一手的实验与模拟数据；FRERA 计划主要专注于ADS 系统在线反应性监测方法的实验验证。,2. 我国ADS研究现状及发展路线,四. ADS先导专项研发进展,ADS超导质子直线加速器系统的各单项技术已实现突破，开始向系统集成研究阶段转换。在单项技术突破方面，成功研制了高稳定度的强流质子源； 162.5 MHz2.1 MeV ADS 射频
8、四极加速器是国际上第二个超过10 mA的连续波质子束射频四极加速器，也是目前国际上稳定运行的连续波离子束射频四极加速器中束流强度最高的；325 MHz 3.2 MeV ADS 射频四极加速器束流平均功率位于世界最高；研制的Spoke 超导腔的测试性能指标达到了国际先进水平。 在系统集成方面，实现了7 个超导腔稳定加速能量为6.05 MeV、流强为10.4 mA的脉冲质子束，是国际上首台由多个Spoke 超导腔构成的低能量段加速装置；实现连续波模式运行，束流强度达到3.9 mA，最长运行记录为7.5 小时，标志着我国在ADS系统研究领域的创新研发能力达到国际领先水平。,1 . ADS单项技术突破
9、,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。该方案融合了固态靶和液态靶的优点，通过固体小球的流动实现了靶区外的冷却，规避了液态铅铋合金靶放射产物毒害性高、温度材料腐蚀效应严重以及固态靶热移除难等缺点，物理上具有承受几十兆瓦束流功率的可行性。,在材料研究方面，自主配方、自主研制的SIMP 钢是一种新型抗辐射、抗腐蚀的低活化耐热合金结构材料，其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。目前已实现5 吨级工业规模制备；同时开展了SiC 复合纤维材料研发，完成碳化硅纤维纺丝和不熔化装置设计、加工和组装。在核燃料制备方面，完成了铀纳米材料
10、的制备和系列锕系有机化合物晶体的合成。,2. “加速器驱动嬗变研究装置”项目正式立项,2015 年12 月，国家发改委正式批准“加速器驱动嬗变研究装置”(China Initiative Accelerator Driven System，简称CIADS)的立项。CIADS 是国家“十二五”期间优先安排建设的16 个重大科技基础设施之一。其主要设计指标为：强流质子加速器质子束流能量250 MeV、束流强度10 mA，实现连续波(CW)工作模式，并具备可升级到更高能量的能力；高功率颗粒流散裂靶最大可承载质子束流功率2.5 MW，具备与加速器和次临界堆耦合工作的能力；液态铅铋次临界堆在加速器中子源
11、驱动下的最大热功率可达10 MW(含质子束流功率2.5 MW)，并留有实验孔道开展嬗变等相关实验研究。 CIADS建成后将成为世界上首个兆瓦级加速器驱动次临界系统研究装置。目前，CIADS项目建设地点已确定为广东省惠州市惠东县东南沿海，中国科学院已同广东省人民政府签署协议，并成立院省领导小组，共同推进项目建设。,3. 加速器驱动先进核能系统(ADANES)新概念的形成,随着ADS先导专项研究的推进和各项突破性科研成果的取得，对于ADS系统在核燃料增殖和产能方面的巨大潜力的认识和理解也愈加深入。进而，ADS研究团队对ADS发展路线进行了认真而又审慎的再思考，在一系列原理模拟验证和技术路线深入调研
12、的基础上，科研人员勇于突破原有的发展思路，创造性地提出了“加速器驱动先进核能系统(Aaccelerator Driven Advanced Nuclear Energy System，ADANES)”的全新概念和研究方案,五. ADS未来展望,ADS系统是为解决核裂变能可持续发展所面临的核废料安全处理处置而提出来的，ADS 系统除在核废料嬗变方面有独特的优势，其在增殖和产能方面也有巨大的潜力。在中国科学院先导专项实施的基础上，进而提出了ADANES的全新概念和方案，并基本完成了原理的模拟试验验证。 ADANES 将充分发挥ADS 系统增殖和产能的潜力，提高核能资源的利用效率，使基于铀资源的核裂
13、变能成为可持续数千年的低碳排放、安全可靠、高性价比、防核扩散的战略能源，应成为我国ADS 研究的未来发展方向。如果得到国家及时和稳定的支持，有望在2022 年左右基本完成乏燃料循环利用验证以及ADS 燃烧器原理样机(10 MWth)等阶段性工作，引领国际核裂变能的创新发展，并在2030 年左右实现工业级示范。,1Wakabayashi T et al. Nuclear Technology，1997，118：14 2 IAEA. Implications of Partitioning and Transmutation in Radioactive Waste Management，IAEA
14、-TECDOC-435，2004 3 Kadi Y，Revol J P. Design of an Accelerator-driven System for the Destruction of NuclearWaste. LNS0212002，2001 4 Stanculescu A. Accelerator Driven Systems (ADS) and Transmutation of NuclearWaste：Options and Trends. LNS015022，2000 5 何祚庥. 世界科技研究与发展，1996，6：1 6 Andriamonje S et al. Physics Letters B，1994，348：697 7 Arnould H et al. Physics Letters B，1999，458：167 8 Abderrahim H A et al. WIREs Energy and Environment，2014，3(1)：60 9 戴光曦. 科技导报，1996，8：38 10 戴光曦. 核物理动态，1996，13(4)：53 11 丁大钊，方守贤，何祚庥. 中国科学院院刊，1997，(2)：116 12 赵志祥，丁大钊. 物理，1997，26(4)：221,参考文献,谢谢观看,
