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出品：科普中國

制作：龍魂

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

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Ⅱ號”首次實現臨界。這標志著我國加速器驅動次臨界系統（ADS）研究完成又一個重大節點，也標志著我國在核反應堆新一代零功率裝置研發領域達到國際先進水平。中核集團微博發布消息的時候，配圖更是貼出了“太過先進，無法展示”。那么，加速器驅動次臨界系統到底有多先進，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發展的瓶頸

目前，中國發電依舊是以火電為主，水電、風電、光伏發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，中國發展核電的潛力巨大。雖然中國核電的發展規劃因日本福島核事故的因素做了調整，但發展核電的大方向未變——到2020年，中國核電的發展目標為運行裝機容量4000萬kW和在建裝機容量1800萬kW的；中國工程院在《2050年我國的能源需求》咨詢報告中的內容：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？乏燃料是指經受過輻射照射、使用過的核燃料。由于核燃料在反應堆里經中子轟擊發生核反應后，會有未用完的核材料以及種類眾多的裂變產物。

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；具有長壽命裂變產物，如碘129、銫135等。具體來說，25噸乏燃料中有可循環利用的鈾約23.75噸, 钚約0.2噸，中短壽命的裂變產物約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，則會嚴重影響環境與接觸它們的人的健康。而建更多的核電站意味著產生更多的乏燃料，因此，能否對乏燃料進行安全處理是核電可持續發展的瓶頸。

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”循環方式。這種是指乏燃料經過適當包裝和儲存之后，直接進行地質處置。

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利益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循環再利用，剩下的高放射性核廢料和長壽命裂變產物經處理后進行最終的地質深埋。該循環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物地質深埋，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。

這種模式是在鈾钚再利用閉式循環的基礎上，利用嬗變核反應將高放射性核廢料中的高放射性、長壽命核素轉化為中短壽命、低放射性核素或穩定核素。研究表明，高放射性核廢料的放射性水平經過嬗變處理后，可在300—700 年內降低到普通鈾礦的放射性水平，需地質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模式的1/10 左右。

ADS嬗變系統

那么具體如何實現呢？這就離不開快中子反應堆和加速器驅動次臨界系統了。

加速器驅動次臨界系統由強流質子加速器、重金屬散裂靶和次臨界反應堆三大分系統組成。基本原理是利用加速器產生的高能強流質子束轟擊重核產生寬能譜、高通量散裂中子作為外源來驅動次臨界堆芯中的裂變材料發生鏈式反應。次錒系核素與快中子發生裂變核反應，生成半衰期較短和毒性較小的裂變產物；長壽命裂變產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、長壽命核素轉化為中短壽命、低放射性核素或穩定核素。同時，在這個過程中還會釋放能量，這些能量可以用來發電，等于將核廢料變成了可以用于發電的核燃料，實現變廢為寶。

ADS嬗變原理

不過，這種新技術離產業化還有一定距離，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應用的AAA計劃，全面開展ADS 相關的研究。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開發研究。俄羅斯在上世紀90年代開展ADS研發工作。

必須說明的是，目前國際上還沒有ADS嬗變系統工程化應用的先例，中國是世界上第一個開展ADS嬗變系統大工程項目研制的國家，而本次取得的技術突破，使中國和全世界離使用更清潔的核能又進了一步。

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