从1％到95％，“吃干榨净”核废物！

 
 
从1％到95％，“吃干榨净”核废物！  
 

编者按

前不久，中国科学院两大科学装置项目总部区工程在广东省惠州市开工。按打算，强流重离子加快器（HIAF）和加快器驱动嬗变研究装置（CIADS）这两台“国之重器”，将在2021年中建成。建成后，有望成为世界最先进的核物理研究装置，并发动形成国际领先的核物理研究中心。

个中，CIADS作为我国加快器驱动先进核能系统的燃烧器部门，将深入摸索核废物嬗变进程中的科学问题，打破系列焦点技能、检讨系统不变性和靠得住性，为将来家产示范装置奠基基本。

这一先进装置的研发，离不开科学家对基本科学问题的恒久摸索。2010年，自然科学基金委设立了重大研究打算“先进核裂变能的燃料增殖与嬗变”，旨在以该规模要害基本科学问题为焦点，在先进核能体系中的核燃料及其核进程、核燃料在先进回响堆燃烧进程中的根基行为及其增殖与嬗变、乏燃料后处理惩罚的新要领与新机理等方面取得创新性成就，最终办理计谋性和前瞻性重大科学问题。

该重大研究打算历经8年，取得了厚实成就。本期基金版将总结该重大研究打算取得的履历，展示取得的后果。

詹文龙（右一）在惠州CIADS装置场区现场指导事情。

■本报见习记者 程唯珈

克日，日本当局发布第5次修悔改的福岛第一核电站报废打算蹊径图，将从2021年开始取出核燃料残渣，并力图在2031年将所有燃料棒取出。

如何办理核燃料的操作效率和乏燃料的安详处理惩罚处理问题，是国际核能界面对的配合挑战。

自2010年起，在国度自然科学基金重大研究打算“先进核裂变能的燃料增殖与嬗变”及之后的中科院计谋性先导科技专项A类支持下，历经8年，中国科学家将核燃料操作率从“不到1％”提高到“高出95％”，有望使核裂变能从今朝的百年变为近万年可一连、安详、洁净的计谋能源。

“烫手”的乏燃料

核燃料是核电站的“粮食”，一连不绝地在回响堆内燃烧，以供给核电运行。然而，燃烧后卸出的大量乏燃料，却成了“烫手山芋”。

“就像烧煤球，有些外面烧透了内里照旧没有烧掉。”该重大研究打算指导专家组组长、中国科学院院士詹文龙汇报《中国科学报》，实际上，核回响堆真正燃烧的对象很少。一般核能的功率密度是化学能的百万倍，现有核燃料可以或许燃烧的不到1％，剩余99％多为乏燃料，具有很大的放射毒性，危害时间长达10万年之久。

“和国际上大大都核电站一样，我国核电站的乏燃料多暂存在核岛内的水池中。”詹文龙先容，一般核电站的水池设计容量仅能满意其15~20年的乏燃料总量。

而与之形成比拟的是，全世界核电每年卸出的乏燃料约莫10500吨，停止2008年累计总量已高出270000吨。

如那里理惩罚这些“烫手山芋”？今朝国际上凡是有两种要领。

一种是“一次通过”方法，即将乏燃料作为“废料”。颠末临时储存和适当包装后，直接举办最终地质处理，将废料埋藏在500~1000米深的地质层中，使之与周围的生物圈断绝。

另一种是 “闭合燃料轮回”方法，即将乏燃料视为“资源”。经事后处理惩罚疏散出铀和钚等有用的核质料，回到热中子或快中子回响堆轮回利用。后处理惩罚发生的高放废液颠末玻璃固化之后，再举办最终地质处理。

乏燃料中仍有95%的铀没有燃烧，同时还会发生一些新核素，如1%的钚和4%的其他核素。

#p#分页标题#e#

“法国的燃料闭环方案是接纳铀、钚等易裂变质料，以及可以操作的次锕系元素等物质，并制成核燃料组件再次利用，而其他放射性核素固化制成玻璃块状的高放废料封存。” 詹文龙增补道。

个中，核燃料的增殖是铀钍资源操作最优化的焦点，而乏燃料的疏散嬗变则干系到核废料的最少化。

2010年，国度自然科学基金委员会宣布重大研究打算 “先进核裂变能的燃料增殖与嬗变”申请指南，詹文龙教育的团队获批。

次年，福岛第一核电站产生严重泄漏变乱，再度为全球核安详蒙上阴影，研究团队愈觉察得肩上的责任重大。

“日本多利用的是法国的闭合燃料轮回方法，投入很大，只举办疏散无法有效办理乏燃料问题。我们以为应该尽快开拓出新的完全轮回操作方法，促进全球核能可一连成长。”他说。

从1％到95％

想要实现核燃料的增殖与嬗变，需要依靠加快器驱动次临界系统（ADS）。

这套系统是加快器、散裂靶和回响堆的“团结体”。“简朴地说，我们筛选出乏燃料中毒性最高的那一部门，用加快器把它给打坏，这样其寿命可大大缩短，放射性毒性可以消减。”詹文龙说。

2012年，该核能系统中关于优化资源和废料的新思路在詹文龙脑海中形成了雏形。他的想法是，首先简化乏燃料再生，先解除大于50%裂变产品再转化为再生乏燃料。然后操作可控高回响性快中子燃烧器，燃烧含大于50%裂变产品的再生乏燃料。

在低落毒性方面，则只需对50%的裂变产品提纯，剩余50％保持不动。这样淘汰了疏散的难度，也没有核扩散的危险。

另外，团队还原创性提出颗粒流散裂靶的观念并建成道理样机。其道理和沙漏雷同，高密度散裂靶热可导出异地及时处理惩罚，有效淘汰引起的放射性次级污染。

不外，传统的ADS只是把长命命高放核废物举办嬗变处理惩罚为短寿命或低放核废物后再举办地质永久处理。从贸易上来说只有投入没有产出，是“赔钱”的系统，因此，团队后又原创性地提出了加快器驱动先进核能系统（ADANES）这一全新观念。

ADANES是集核废物的嬗变、核燃料的增殖以及核能发电于一体、具有固有防核扩散特性的先进核燃料闭式轮回技能。可将铀资源操作率由今朝的不到1%提高到高出95%，处理惩罚后核废物量不到乏燃料的4%，放射寿命由数10万年缩短到约500年。

“不仅做嬗变，把毒物淘汰，同时提高核资源的操作率，使燃料增殖，进程中还能正常发电，同时也提高了经济竞争力。”詹文龙暗示，今朝他们已完成了一系列尝试室模仿道理验证尝试并取得了打破性希望和应用。

AB方案同台“竞技”

据相识，该重大研究打算聚积了海内相关规模的各研究单元。自实施以来，为确保ADS/ADANES的顺利实施，项目实行了A/B角、A/B方案，同台“既相助又竞技”。

詹文龙回想，样机建造进程中技能变革很大，尤其在强流超导直线加快器研发方面，许多小组都提出了差异的技能蹊径。“往往上半年提出的方案，下半年就有大概被推翻。”

于是，项目组让中科院近代物理研究所和中科院高能物理研究所作为A/B角依照各自方案实施建造。颠末比拟研讨、攻关，我国最终引领了这一重大焦点技能。

今朝，项目中的加快器技能在国度重大科技基本设施中已有应用，并受到部门企业的青睐，还可衍生至药物的靶向同位素治疗。

值得一提的是，该重大研究打算大大促进了基本放射化学的学科成长。

#p#分页标题#e#

不外，核能研究具有高门槛、高投入、高风险和高效益等特点，所需经费往往是其他一些学科的数倍或几十倍。同时，核能研究周期较长，一般每一代核电进级需要20~30年。

詹文龙指出，核能研究出格重视基本、应用和工程之间的协同成长，在基本研究成就为国度重大工程项目处事方面还需要进一步增强。

“但愿相关部分可以或许延续对先进核裂变能偏向的扶助，继承培养学科气力，更好地发挥核能在交错学科中的支撑浸染以及为国度重大需求处事。”他说。

《中国科学报》 (2020-01-20 第4版 自然科学基金)

郑重声明：此文内容为本网站转载企业宣传资讯，目的在于传播更多信息，与本站立场无关。仅供读者参考，并请自行核实相关内容。