加速器驱动的次临界系统

加速器驱动的次临界 系统（ADS） 杨磊 中国科学院近代物理研究所 能源革命与核能发展 第四代堆 加速器驱动的次临界系统 国际ADS的发展现状 中国ADS发展的机遇与挑战 人 类 社 会 发 展 与 能 源 革 命 化 石 能 源 广 泛 应 用 的 弊 端 核 能 1938年，德国的奥托·哈恩发现了核 裂变现象。 核 能 发 展 历 程 费米找了一个芝加哥大学废弃的露天运动场， 用石墨块和铀棒组成的材料建立了一个反应 堆，它于1942年 12月2日达到临界，费米成 功地演示了链式反应可以持续数分钟。 世界上第一座原子核反应堆被命名为“芝加哥”第一号CP－1 1958年6月，中国第一座原子能反应堆 建成，两年后正式运转。 核 能 发 展 历 程 压 水 堆 火 电 水 电 核 电 其 他 能源形式 优点 缺点 核电 燃料储量丰富、高密集型、经济、清 洁的能源，有利于资源的合理利用； 技术成熟，燃料能量密度高，1吨铀- 235裂变产生的能量相当于270吨 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 煤； 燃料费低，约占发电成本的20%～ 30%。 核电厂造价高，高出火电 厂30%～50%。 化石燃料发电 电厂造价低，技术成熟。 产生的二氧化硫、二氧化 碳、氮氧化物、一氧化碳 和颗粒物等带来环境问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ； 资源有限，燃料费高，约 占发电成本的40%～60%。 水电 无污染。 水力资源有限，水力发电 随季节变化很大。 风电、太阳能、 地热、潮汐能 无污染。 只能在一定条件下有限开 发，很难大量使用。 现 阶 段 核 电 缺 点 经济性与乏料处置问题 三里岛 切尔诺贝利 福岛 固有安全性问题 一次性通过 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 0.72% 3% 0.85% +0.7% 增强经济性 增强安全性 减小废物处置问题 第 四 代 核 电 站 第四代核电合作项目中有6 种 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 概念，包括三种 快中子堆和三种热中子堆。设计特点都改进了经济 性，增强了安全性，使废物处置问题和防止核扩散 燃料循环最小化。 三种快中子堆是：  带有先进燃料循环的钠冷快堆（SFR，Sodium- cooled fast reactor）  铅冷快堆（LFR，Lead-cooled fast reactor）  气冷快堆（GFR，Gas-cooled fast reactor） 三种热中子堆是：  超临界水冷堆（SCWR，Supercritical water- cooled Reactor）  超高温气冷堆（VHTR，Very-high-temperature gas-cooled reactor）  熔盐堆（MSR，Molten salt reactor） 超高温气冷堆 超临界水冷堆 熔盐堆 铅冷快堆 钠冷快堆 气冷快堆 第 四 代 核 电 站 第 四 代 核 电 站 加速器驱动的次临界系统（ADS） 强流加速器 次临界堆 高功率散裂靶 核裂变能成熟、清洁、有经济竞争力，有助于 减少温室气体排放，应对全球气候变化  2009年，核能约占世界总能源6%  2009年，核电年发电量占世界总发电量~14%  截至2010年10月，全世界共441座反应堆，376.3GWe  18个国家的核电超过本国供电的20%  美国 20.2%（101.1GWe）  法国 75.2%、日本 28.9%  德国 26.1%、瑞士 39.5%  瑞典 34.7%、俄罗斯 17.8%  韩国 34.8%、… 核电装机容量前15国  2005年3月，国务院把我国核电发展政策由 “适度发展”修改为“积极发展”„ 运行：10.234GWe/13座反应堆 在建：25.90GWe/23座反应堆 筹建：44.27GWe/39座反应堆 建议：120.0GWe/120座反应堆 注：1GWe=1百万千瓦 中长期目标预测 2020 70GWe (占总容量5~6%、总发 电量 7%) 2030 200GWe (占总容量10%、总发 电量15%) 2050 400GWe (占总容量16%、总发 电量22%) 18 核 废 料 的 危 害 一座GWe核电站每年产生约30-50吨的核 废料；其中，长寿命高放废料>150公斤。  核废料能产生多大的危害？ • 需~1010万吨水稀释，才能达到 排放标准 • 相当于整条长江100余年的水流 量 核 废 料 的 处 理 世界各国高放射性废物处置库建设概况  美国 1983年开始选址 2020年后开始运行 从选址到运行将耗费37年  日本 1976年开始选址 2040年后开始运行 从选址到运行将耗费64年  加拿大 1973年开始选址 2025年后开始运行 从选址到运行将耗费52年  德国 1965年开始选址 2008年后开始运行 从选址到运行将耗费43年  瑞典 1976年开始选址 2020年后开始运行 从选址到运行将耗费44年  芬兰 1987年开始选址 2020年后开始运行 从选址到运行将耗费33年  比利时 1974年开始选址 2050年后开始运行 从选址到运行将耗费76年  英国 1976年开始选址 2035年后开始运行 从选址到运行将耗费59年  瑞士 1980年开始选址 2020年后开始运行 从选址到运行将耗费40年  西班牙 1986年开始选址 2015年后开始运行 从选址到运行将耗费34年  随着我国核电站数量的增加，中国东部经济发达地区能源 短缺的巨大压力得到了有效缓解，但这些核电站在发电的 同时也产生了大量的核废料。目前我国核电站每年产生150 吨具有高度放射性的核废料，预计到2010年这些核废料的 积存量将达到1000吨。由于高度放射性核废料对环境与人 体都有极大的危害性，核废料处理问题也日益显现，这也 是全世界关注的难题。  一座100万千瓦的核电站一年产生几十吨放射性废料，这些 核废料加工处理后将产生4立方米高辐射核废料、20立方米 中辐射核废料、140立方米低辐射核废料和200立方米非辐 射性废料。这些核废料都暂存在核电厂自建的硼水池中， 硼水可以吸收核废料产生的大部分能量。每个硼水池足以 储存核电站10年运行所产生的乏燃料。  在过去30年里，美国运行着的100多个核电站，大部分都采 用这种方法处理。目前美国核发电站产生的核废料共有4.5 万吨，并且正以每年2000吨的速度增加。中国核废料存储 空间上的压力会在2030年前后出现，那时，仅核电站产生 的高放射核废料（乏燃料），每年就将高达3200吨。 我 国 的 核 废 料 处 理 21 中低放射性废料：大多是采用地表浅埋（地表下几十米）处理。 高放射性废料：可能方法？ • 深储藏处理  地表下几百米或更深岩层（美国尤卡山，300亿美元 ） • 太空处理  送出太阳系 （地面发射装置+满载核废料的太空舱 ） • 冰盖处置  南极或北极冰盖上，热量融化冰层，沉到冰层底部。 无法确保绝对安全，而这恰恰是高放废料处理的基本要求 ！ • 嬗变（变废为宝）：中子轰击核废料， 变成短寿命或稳定核，并产生能量。 核 废 料 的 处 理 深埋 送入太空 Beam window P n PbBi MA A D S 核 乏 料 嬗 变 物 理 A D S 核 乏 料 嬗 变 流 程 经济性与乏料处置问题：实现全闭环 Fuel recycling No recycling of spent fuel Uranium naturel Time (years) R el a ti v e ra d io to x ic it y Spent fuel transmutation time reduction 1 000x – volume reduction 100x A D S 解 决 高 放 废 料 问 题 一次性通过方案 闭式循环 分离嬗变循环 强流加速器 次临界堆 高功率散裂靶 A D S 的 固 有 安 全 性 和 优 点 ADS系统具有以下优点： 在ADS的不同中子能量 场中，可嬗变危害环境 的长寿命核废物为短寿 命的核废物，以降低放 射性废物的储量及其毒 性；而ADS本身在产能 过程中，产生的核废物 却很少，基本上是一种 清洁的核能。 因为ADS是一个 次临界系统,可从 根本上杜绝核临 界事故的可能性。 具有固有安全性 并可提高公众对 核能的接受程度。 充分利用可裂变核资源：使铀-238高效转化为易裂变 钚-239核，或开发利用储量丰富钍资源。 A D S 是 国 际 先 进 核 能 技 术 研 究 热 点 ADS系统作为最具潜力的核废料嬗变方案，越来越受到 国际核能界的重视… 国际上ADS相关R&D已长期、全面展开，有很好积累， 但缺乏具体大 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 项目引领  我国的机遇！ 我 国 A D S 研 究 路 线 图 17.8 14.9 + RFQ +CH Spoke 2013 ~5 MeV 2015 25~50 MeV 201X 50/150 MeV ~2022 0.6~1 GeV ~2032 1.2~1.5 GeV 5~10 MWt 100 MWt ≥1 GWt 验证两条 技术路线 实现器-靶-堆 系统分别集成 调试运行实现 系统总集成 实现II期目标 实现III期目标 10 MeV 17.8 14.9 + 我 国 A D S 研 究 计 划 目 标 •进度控制，质量控制 ，经费集中使用、统 一调度 •总经理、总工程师、 总经济师 •前期依托近物所、高 能所、等离子三个核 心研究所，扩大队伍 •后期依托ADS研究中 心，全面铺开 管 理 架 构 与 机 制 质子 中子 稳定运行的强流 质子直线加速器 反应堆与加速器的 接口技术，即高功 率散裂靶 A D S 研 究 的 机 遇 和 挑 战 中子物理研究：ADS系统的核过程比临界堆复杂。外源中子场的各种参 量；上限达100Mev的中子核反应截面；待嬗变核的中子核反应截面等。 核结构材料研究：强束流的引出窗、反应堆新型导热剂的辐照性能及其 与结构材料的相容性等问题是研究的难点。 放射化学研究：在ADS中，燃后乏料中，铀、钚将是回收再利用的资源， 镎、镅、锔均为待嬗变的核素，放化处理主工艺流程应循减少物料流的 原则开发，适应不同性能及组分的燃后乏料与主工艺的接口流程也待研 究。 谢谢！  强流质子加速器：ADS要求1Gev、10mA具有高于85％稳 定、可靠运行效率的连续波加速器，一般均倾向于直线型 加速器。与现有科学研究用最高水平的加速器相比较，除 能量指标外，均有数十倍的差距。在加速器物理、结构、 功率源、可靠性等方面有许多课题待逐步、深入地研究。 目前产生强流束(几十mA到100mA)，并在数百小时内稳 定运行的离子源已在美、法、意、日等国实验室中建成或 调试中；把强流束加速到5—7Mev的注入器，原理上已成 熟，美国已建成低能示范加速器。把离子束从低能加速到 近100MeV的新型加速结构则正在研究中。100Mev—lGev 的加速结构原理上是成熟的，正在开发低功耗、高稳定性 的超导结构。  高功率散裂靶：ADs是一个脉冲间隔的“宏观稳态”运行 的空间、时间与能谱参量不可分离的有外源系统。中子产 生靶上将消耗几十兆瓦的束功率，其热负荷远于反应堆元 件，因此，从选材、结构、传热方式等诸方面均在开展模 拟计算与台架实验，例如欧洲联合开展MEGPEI装置实验。 近代物理所 高能物理所 等离子体所 金 属 所 工程热物理所 中 国 科 大 固体物理所 物 理 所 北方基地指挥部 国际咨询组 科技委员会 ADS总体部 总体方案与相 关基础研究 质子直线 加速器 液态金属 散裂靶 铅铋冷却 反应堆 平台与配 套设施 项目1 项目2 项目3 项目4 项目5 项目办公室 筹建办公室  与临界快堆相比。ADS系统有3个最 重要的特点： (1)由于ADS系统有外源中子，其中子 余额数目明显地多于临界堆，因此其次锕系 元素的嬗变能力明显优于临界快堆。研究表 明，ADS的嬗变支持比(即一个ADS可以 嬗变多少个同样规模的PWR核电站产生的 长寿命放射性核素)可达到12左右(嬗变专 用快堆的支持比约为5)。  (2)由于ADS系统的中子能谱更硬，中 子平均能量达到500keV．而快堆系统的中 子平均能量为300keV．这使得ADS系统的 嬗变能力远高于快堆．MAs在ADS系统中 的裂变份额极高．几乎不产生新的更重的 MA$。  (3)由于ADS属于次临界装置，具有良 好的安全性。快堆用于嬗变MAs时．燃料元 件中所允许的MA的装载量不能超过燃料 总重量的5％，否则会影响快堆的安全性。 ADS燃料中对MAs的装载量的限制较少。 由上述几点可见，在各种嬗变系统中， ADS是强有力的核废料嬗变器(或焚烧 炉)，是我国核裂变能可持续发展值得探索 的新技术途径，其研究成果将明显提高核能 系统的资源效益和环境效益。 国际核科技界认为。ADS是一种有前 途的新一代核能开发技术。国际原子能机构 把它列入新型核能系统中．并称之为“新出 现的核废物嬗变及能量产生的核能系统”。研发高 效率、高可靠性、束损极小的强流加速器；研 发高功率乍f}铋合金(LBE)液态靶和冷却剂 的关键技术。。更多的中 子余额也可以使u一238高效地转换成Pu一239，缩短核 燃料的倍增周期，达到充分利用铀资源，快速增长核 能规模的目的。有为 毫无疑问，核能应该是这一研究课题的一个重 要组成部分+ 但现有的核能利用方法却受到越来越 多的公众的反对，其原因主要有：（!）同军事的联系 及对核武器的恐惧；（’）对核事故的恐惧；（)）核废 料的处理等+ 如果消除了这些原因，核能显然是较 为理想的能源之一，因为它不会生成9G’、化学污 染、粉尘污染、甚至于一些放射性颗粒+ 自(" 年代 末建成了世界上第一座核电站至今，人们为了提高 其安全性做了大量的技术改进，然而我们已经看 到，这些改进并非是最佳的解决方案+ 采用加速器产生的强流高能质子束驱动次临界 反应堆，即加速器驱动系统<@A（<;;7270-630 @01H=1.I A:J67B），可能是在现有的核能生产基础上解决上面问题的一条重要途径+ 对于发达国家而言，<@A 的 主要用途是消除核废料；而对于发展中国家而言， 它同时也可以用作一种新的能源装置+ 能量放大器 方案是众多<@A 方案中的一种+