【文章內容簡介】 積累乏燃料已達 5萬噸，每年新增 2023噸“一次通過 ”循環(huán)方式的積極鼓吹者美國：近年來其核燃料循環(huán)政策發(fā)生了根本性逆轉 計劃 到 2030年新增 345GWe核電 GNEP：恢復包括后處理和快堆在內的核燃料閉式循環(huán)方案使需要地質處置的高放廢物體積降低 50倍左右 動因：乏燃料管理一次通過循環(huán)動因：乏燃料管理的 PT戰(zhàn)略 閉式燃料循環(huán)方式：分離 嬗變戰(zhàn)略分離－嬗變戰(zhàn)略并不能消除地質儲存的必要性，但使得地質儲存在技術上更加容易、更加安全、更加經(jīng)濟?減少場址的有效劑量，降低地質儲存場址要求 ?從廢料中去掉了大部分裂變材料，減少臨界風險 ?帶有燃料處理廠的嬗變單元，減少 HLW 運輸數(shù)量?將需要地質處置的放射性廢物至少減量 75% ，減容 75%動因：乏燃料管理的 PT戰(zhàn)略 不同分離水平情況下的放射性毒性的降低因子 廢 物 103年 104年 105年 106年乏燃料（ U ＋ Pu ＋ MAs + FPs） 1 1 1 1后 處 理分離 U、 Pu后的高放 廢 物（ MAs + FPs）10 25 20 4高放 廢 物中分離 MAs后（ FPs） 160 175 160 130動因：乏燃料管理的 PT戰(zhàn)略 1E+001E+011E+021E+031E+041E+051E+061E+071E+081E+0910 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000Time (years)Potential radiotoxicity* (Sv/thm)只分離 U和 Pu 不進行 PTPT后天然 U的毒性* as if incorporated, per tonnes of heavy metal動因：乏燃料管理的 PT戰(zhàn)略 理想的嬗變裝置： ADS閉式核燃料循環(huán)系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)動因：乏燃料管理的 PT戰(zhàn)略 已解決待解決動因： 解決兩大問題的關鍵是建立核燃料的雙層閉式循環(huán)實現(xiàn)以核燃料的增殖和分離 嬗變技術為核心的鈾、钚、次錒系元素多次循環(huán) 下列內容是實現(xiàn)這一目標的關鍵： FBR的開發(fā)； ADS的開發(fā)；核燃料后端循環(huán)技術的開發(fā) 中能強流質子加速器中能強流質子加速器束功率為束功率為 20100MW中子產生靶中子產生靶每個質子產生每個質子產生 2030個中子個中子加速器驅動次臨加速器驅動次臨界系統(tǒng)示意圖界系統(tǒng)示意圖散裂散裂反應反應次臨界反應堆keff1原理和特點： ADS是理想的長壽命放射性廢物的焚燒爐核電廠燃料循環(huán)后處理后處理1000MWt 輕水堆輕水堆 FP分離分離質子加速器， 1GeV/40mA中子靶30n/p次臨界堆：嬗變，增殖部分電力運行加速器K， G嬗變 FPMA多次循環(huán)ADS構成圖原理和特點： ADS是理想的長壽命放射性廢物的焚燒爐系統(tǒng)的嬗變能力和增殖能力由兩個因素決定l除了維持系統(tǒng)自持和考慮各種吸收及泄漏外的中子余額數(shù)目l系統(tǒng)嬗變或增殖每個核所消耗的中子數(shù)目增殖： ββn+238U→239U→239Np→239Puββn+232Th→233Th→233Pa→233U嬗變：（ n,?),(n,f),(n,2n)原理和特點： ADS是理想的長壽命放射性廢物的焚燒爐設臨界堆 (k=1)中子余額為 Nc次臨界堆中子余額為 Nk則在簡單的模型下可以導出Nk=Nc+?(1k)/kADS有外中子源，其中子余額要多于臨界堆，這一點對于核廢料的嬗變和核燃料的增殖有利 余額中子 轉換核燃料嬗變核廢料ADS的中子余額 原理和特點： ADS是理想的長壽命放射性廢物的焚燒爐不同系 統(tǒng) 的中子余 額 數(shù)目 系 統(tǒng) 類 型和條件 中子余 額臨 界堆 LWR ， Φ=1014n/cm2s ～ 0超 熱 堆， Φ=1016n/cm2s 0． 24快堆， Φ=1015n/cm2s 大于 ADS keff=,Φ=1015n/cm2s keff=,Φ=1015n/cm2s keff=,Φ=1015n/cm2s 原理和特點： ADS是理想的長壽命放射性廢物的焚燒爐ADS系 統(tǒng) 的能 譜 很硬，幾乎所有 長 壽命的 錒 系核素在ADS系 統(tǒng) 中都成 為 可裂 變 的 資 源，因此 ADS系 統(tǒng) 中 錒 系核素的中子 經(jīng)濟 性明 顯 好于其他所有已知的 臨 界堆 核素 PWR 譜 ADS中子 譜Np237Pu238Pu239Pu240Pu241Pu242Am241Am242U235U238不同中子能譜錒系核素凈中子產生率原理和特點： ADS是理想的長壽命放射性廢物的焚燒爐ADS系 統(tǒng) 的嬗 變 能力在已知的系 統(tǒng) 中是最 強 的 支持比可達到 12左右 MA T1/2,a 裝 載 量， kg 嬗 變 率， % 嬗 變 量， kg 支持比Np237 ?106 772 73 Am241 432 363 Am243 7380 165 Cm243 Cm245 8500 ADS系統(tǒng) 300天滿功率運行后錒系核素的嬗變量和支持比原理和特點： ADS是理想的長壽命放射性廢物的焚燒爐ADS產 生的中子 譜 更硬，中子平均能量達到 500keV，因此在 ADS嬗 變 MAs時 中子 經(jīng)濟 性最好，且因裂 變 份 額 極高而幾乎不 產生新的更重的 MAs。歐洲的 TARC實驗證 明，采用 絕熱 吸收的 辦 法 ,在 ADS的 熱 區(qū)可以有效地嬗 變 LLFPs。ADS具有良好的安全性， ADS燃料中 對MAs的裝 載 量沒有 嚴 格的限制。 原理和特點： ADS是理想的長壽命放射性廢物的焚燒爐ADS與其他嬗變裝置的比較?熱堆嬗變中子余額數(shù)目很低，因此嬗變能力較差99Tc和 129I:半嬗期 40～ 80年 ?快堆嬗變燃料中加入 MAs后會使堆安全性下降 MA的量一般不能超過燃料總量的 %此條件下快堆的嬗變支持比為 部分核素通過中子俘獲生成新的 MAs例： Am的嬗變量為 116kg/Gwea產生量為 42～ 83kg/Gwea原理和特點： ADS是理想的長壽命放射性廢物的焚燒爐ADS研發(fā)需要解決的關鍵科學技術問題lADS系統(tǒng)主要由強流質子加速器、高功率靶和次臨界包層構成，其研發(fā)涉及核物理、加速器物理、反應堆物理與熱工、放射化學等諸多學科這是一個典型的為解決國家重大需求，集合多個學科領域的科學家聯(lián)合攻關的項目lADS的研發(fā)涉及核科學技術最前沿、最先進的技術領域，如幾十毫安級的強流質子直線加速器物理和技術、鉛或鉛鉍合金重金屬冷卻劑的技術及由此帶來的特殊熱工水力和材料問題，非均勻的深次臨界度的反應堆物理和技術等等在國際是研究的熱點，在國內每一個問題都是新的中能強流質子直線加速器擬解決的關鍵科學問題●在物理基礎方面：研究強流束加速與傳輸中的束暈形成的機理進行束流動力學分析和模擬以評價使束暈最小發(fā)展束流損失小的加速結構 目標是將束流損失控制在 1W/m以內●在工程技術方面： RAMI問題提高加速器運行的可靠性和可使用率發(fā)展提高束流可靠性的技術目的是將失束頻率降低 3到 4個數(shù)量級 ADS研發(fā)需要解決的關鍵科學技術問題 次臨界反應堆 擬解決的關鍵科學問題l 堆物理方面：由于外中子源的存在堆芯功率密度分布的不均勻問題需要解決功率展平的問題 l 元件和材料方面：由于加速器失束帶來熱沖擊問題由于燃耗加深帶來的元件問題由于能譜更硬、中子通量更高帶來的輻照損傷問題強輻照、高溫、強腐蝕條件下的材料問題嬗變器件對堆芯性能的影響和特殊安全問題ADS研發(fā)需要解決的關鍵科學