制作：龍魂
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心
12月23日10點17分，中國首座鉛基核反應堆零功率裝置“啟明星 號”首次實現(xiàn)臨界。這標志著我國加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS）研究完成又一個重大節(jié)點，也標志著我國在核反應堆新一代零功率裝置研發(fā)領(lǐng)域達到國際先進水平。中核集團微博發(fā)布消息的時候，配圖更是貼出了“太過先進，無法展示”。那么，加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)到底有多先進，以至于“太過先進，無法展示”呢？
核廢料的安全處理是核電可持續(xù)發(fā)展的瓶頸
目前，中國發(fā)電依舊是以火電為主，水電、風電、光伏發(fā)電所占的比重相對較少，而核電的比重也僅為3%。相比之下，2014年核電占全球總發(fā)電量的11.5%，在2015年，有19個國家的核電份額在15%以上。從中可以看出，中國發(fā)展核電的潛力巨大。雖然中國核電的發(fā)展規(guī)劃因日本福島核事故的因素做了調(diào)整，但發(fā)展核電的大方向未變——到2020年，中國核電的發(fā)展目標為運行裝機容量4000萬k W，在建裝機容量1800萬k W；中國工程院在《2050年我國的能源需求》咨詢報告中的內(nèi)容：到2050年，我國核電占一次能源總量的比重要求提高至12.5%（占電力裝機容量的20%）。
然而，核電在為人類帶來能源的同時，也會產(chǎn)生核廢料，以一座100萬千瓦的壓水堆核電站為例，每年卸出約25噸乏燃料。什么是乏燃料呢？乏燃料是指經(jīng)受過輻射照射、使用過的核燃料。由于核燃料在反應堆里經(jīng)中子轟擊發(fā)生核反應后，會有未用完的核材料以及種類眾多的裂變產(chǎn)物。
其中危害性最大的有兩類：具有高放射性的次錒系核素，如镎93、镅95和鋦96等；具有長壽命裂變產(chǎn)物，如碘129、銫135等。具體來說，25噸乏燃料中有可循環(huán)利用的鈾約23.75噸, 钚約0.2噸，中短壽命的裂變產(chǎn)物約1噸，還有高放射性的次錒系核素約20千克和長壽命裂變產(chǎn)物約30千克。由于乏核燃料中包含有大量的放射性元素，如果沒能安全處理，則會嚴重影響環(huán)境與接觸它們的人的健康。而建更多的核電站意味著產(chǎn)生更多的乏燃料，因此，能否對乏燃料進行安全處理是核電可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。
兩種以往的核燃料處理模式
目前，國際上主要有兩種核燃料處理模式：
一是“一次通過”的循環(huán)方式。這種是指乏燃料經(jīng)過適當包裝和儲存之后，直接進行地質(zhì)處置。通俗的說，就是找個合適的地方建造一個乏燃料的棺材埋了。但這種處理方式具有鈾資源利用率低、產(chǎn)生的廢物量大、廢物所需安全處置的時間長等問題——將乏燃料中大量可以循環(huán)利用的資源與少量的廢物一起處置，不僅造成核原料的浪費，還大幅增加了核廢料的處置量，何況高放射性核廢料的地質(zhì)處置庫建設十分昂貴。舉例來說，美國在尤卡山建立的儲藏庫就耗資300億美元。因此，曾經(jīng)長期采用這種做法的美國也在2006年否定了當年卡特政府的核燃料“一次通過”的核能政策。
二是鈾钚再利用的閉式循環(huán)模式。這種模式將乏燃料中的鈾和钚分離出來，并制成混合氧化鈾钚燃料實現(xiàn)循環(huán)再利用，剩下的高放射性核廢料和長壽命裂變產(chǎn)物經(jīng)處理后進行最終的地質(zhì)深埋。該循環(huán)模式可以明顯提高核燃料的利用效率，同時也將大幅減小高放射性核廢料的處置量。不過這種模式也存在不足，那就是要對高放射性核廢料和長壽命裂變產(chǎn)物地質(zhì)深埋，但漫長的半衰期使這種處理方式依舊存在一定安全隱患。
核廢料安全處理新方法
除了之前介紹的兩種處理模式外，還有一種更先進的處理模式，那就是分離—嬗變閉式循環(huán)。這種模式是在鈾钚再利用閉式循環(huán)的基礎上，利用嬗變核反應將高放射性核廢料中的高放射性、長壽命核素轉(zhuǎn)化為中短壽命、低放射性核素或穩(wěn)定核素。研究表明，高放射性核廢料的放射性水平經(jīng)過嬗變處理后，可在300—700 年內(nèi)降低到普通鈾礦的放射性水平，需地質(zhì)深埋處理的核廢料體積減少至“一次通過”模式的1/50和鈾钚再利用閉式循環(huán)模式的1/10左右。
ADS嬗變系統(tǒng)
那么具體如何實現(xiàn)呢？這就離不開快中子反應堆和加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)了。加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)由強流質(zhì)子加速器、重金屬散裂靶和次臨界反應堆三大分系統(tǒng)組成。基本原理是利用加速器產(chǎn)生的高能強流質(zhì)子束轟擊重核產(chǎn)生寬能譜、高通量散裂中子作為外源來驅(qū)動次臨界堆芯中的裂變材料發(fā)生鏈式反應。次錒系核素與快中子發(fā)生裂變核反應，生成半衰期較短和毒性較小的裂變產(chǎn)物；長壽命裂變產(chǎn)物的嬗變主要通過熱中子俘獲、衰變等核反應過程生成短壽命或穩(wěn)定的核素。通俗地說，就是制造一個高放射性、長壽命核廢料的焚燒爐，將高放射性、長壽命核素轉(zhuǎn)化為中短壽命、低放射性核素或穩(wěn)定核素。同時，在這個過程中還會釋放能量，這些能量可以用來發(fā)電，等于將核廢料變成了可以用于發(fā)電的核燃料，實現(xiàn)變廢為寶。
ADS嬗變原理
不過，這種新技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，世界各國都還在研究中——美國1999年制訂了加速器嬗變核廢料的ATW計劃，從2001年開始實施先進加速器技術(shù)應用的AAA計劃，全面開展ADS相關(guān)的研究。日本從1988年啟動了最終處置核廢料的OMEGA計劃，后期集中于ADS開發(fā)研究。俄羅斯在上世紀90年代開展ADS研發(fā)工作。
必須說明的是，目前國際上還沒有ADS嬗變系統(tǒng)工程化應用的先例，中國是世界上第一個開展ADS嬗變系統(tǒng)大工程項目研制的國家，而本次取得的技術(shù)突破，使中國和全世界離使用更清潔的核能又進了一步。