作者 | 程唯珈
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。按计划，强流重离子加速器（HIAF）和加速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，并带动形成国际领先的核物理研究中心。
其中，CIADS作为我国加速器驱动先进核能系统的燃烧器部分，将深入探索核废料嬗变过程中的科学问题，突破系列核心技术、检验系统稳定性和可靠性，为未来工业示范装置奠定基础。
这一先进装置的研发，离不开科学家对基础科学问题的长期探索。2010年，自然科学基金委设立了重大研究计划“先进核裂变能的燃料增殖与嬗变”，旨在以该领域关键基础科学问题为核心，在先进核能体系中的核燃料及其核过程、核燃料在先进反应堆燃烧过程中的基本行为及其增殖与嬗变、乏燃料后处理的新方法与新机理等方面取得创新性成果，最终解决战略性和前瞻性重大科学问题。
该重大研究计划历经8年，取得了丰硕成果。
本期基金版将总结该重大研究计划取得的经验，展示取得的成绩。
詹文龙（右一）在惠州CIADS装置场区现场指导工作。
近日，日本政府公布第5次修改过的福岛第一核电站报废计划路线图，将从2021年开始取出核燃料残渣，并力争在2031年将所有燃料棒取出。
如何解决核燃料的利用效率和乏燃料的安全处理处置问题，是国际核能界面临的共同挑战。
自2010年起，在国家自然科学基金重大研究计划“先进核裂变能的燃料增殖与嬗变”及之后的中科院战略性先导科技专项A类支持下，历经8年，中国科学家将核燃料利用率从“不到1％”提高到“超过95％”，有望使核裂变能从目前的百年变为近万年可持续、安全、清洁的战略能源。
“烫手”的乏燃料
核燃料是核电站的“粮食”，持续不断地在反应堆内燃烧，以供应核电运行。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，有些外面烧透了里面还是没有烧掉。”
该重大研究计划指导专家组组长、中国科学院院士詹文龙告诉《中国科学报》，实际上，核反应堆真正燃烧的东西很少。
一般核能的功率密度是化学能的百万倍，现有核燃料能够燃烧的不到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。
“和国际上大多数核电站一样，我国核电站的乏燃料多暂存在核岛内的水池中。”
詹文龙介绍，一般核电站的水池设计容量仅能满足其15~20年的乏燃料总量。
而与之形成对比的是，全世界核电每年卸出的乏燃料大约10500吨，截至2008年累计总量已超过270000吨。
如何处理这些“烫手山芋”？目前国际上通常有两种方法。
一种是“一次通过”方式，即将乏燃料作为“废物”。
经过暂时储存和适当包装后，直接进行最终地质处置，将废物埋藏在500~1000米深的地质层中，使之与周围的生物圈隔离。
另一种是 “闭合燃料循环”方式，即将乏燃料视为“资源”。
经过后处理分离出铀和钚等有用的核材料，回到热中子或快中子反应堆循环使用。
后处理产生的高放废液经过玻璃固化之后，再进行最终地质处置。
乏燃料中仍有95%的铀没有燃烧，同时还会产生一些新核素，如1%的钚和4%的其他核素。
“法国的燃料闭环方案是回收铀、钚等易裂变材料，以及可以利用的次锕系元素等物质，并制成核燃料组件再次使用，而其他放射性核素固化制成玻璃块状的高放废物封存。” 詹文龙补充道。
其中，核燃料的增殖是铀钍资源利用最优化的核心，而乏燃料的分离嬗变则关系到核废物的最少化。
2010年，国家自然科学基金委员会发布重大研究计划 “先进核裂变能的燃料增殖与嬗变”申请指南，詹文龙带领的团队获批。
次年，福岛第一核电站发生严重泄漏事故，再度为全球核安全蒙上阴影，研究团队愈发觉得肩上的责任重大。
“日本多使用的是法国的闭合燃料循环方式，投入很大，只进行分离无法有效解决乏燃料问题。
我们觉得应该尽快开发出新的完全循环利用方式，促进全球核能可持续发展。”他说。
从1％到95％
想要实现核燃料的增殖与嬗变，需要依靠加速器驱动次临界系统（ADS）。
这套系统是加速器、散裂靶和反应堆的“结合体”。
“简单地说，我们筛选出乏燃料中毒性最高的那一部分，用加速器把它给打碎，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物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，先排除大于50%裂变产物再转化为再生乏燃料。
然后利用可控高反应性快中子燃烧器，燃烧含大于50%裂变产物的再生乏燃料。
在降低毒性方面，则只需对50%的裂变产物提纯，剩余50％保持不动。
这样减少了分离的难度，也没有核扩散的危险。
此外，团队还原创性提出颗粒流散裂靶的概念并建成原理样机。
其原理和沙漏类似，高密度散裂靶热可导出异地实时处理，有效减少引起的放射性次级污染。
不过，传统的ADS只是把长寿命高放核废料进行嬗变处理为短寿命或低放核废料后再进行地质永久处置。
从商业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速器驱动先进核能系统（ADANES）这一全新概念。
ADANES是集核废料的嬗变、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循环技术。
可将铀资源利用率由目前的不到1%提高到超过95%，处理后核废料量不到乏燃料的4%，放射寿命由数10万年缩短到约500年。
“不光做嬗变，把毒物减少，同时提高核资源的利用率，使燃料增殖，过程中还能正常发电，同时也提高了经济竞争力。”
詹文龙表示，目前他们已完成了一系列实验室模拟原理验证实验并取得了突破性进展和应用。
AB方案同台“竞技”
据了解，该重大研究计划聚集了国内相关领域的各研究单位。
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“既合作又竞技”。
詹文龙回忆，样机制作过程中技术变化很大，尤其在强流超导直线加速器研发方面，很多小组都提出了不同的技术路线。
“往往上半年提出的方案，下半年就有可能被推翻。”
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制作。
经过对比研讨、攻关，我国最终引领了这一重大核心技术。
目前，项目中的加速器技术在国家重大科技基础设施中已有应用，并受到部分企业的青睐，还可衍生至药物的靶向同位素治疗。
值得一提的是，该重大研究计划大大促进了基础放射化学的学科发展。
不过，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，一般每一代核电升级需要20~30年。
詹文龙指出，核能研究特别重视基础、应用和工程之间的协同发展，在基础研究成果为国家重大工程项目服务方面还需要进一步加强。
“希望相关部门能够延续对先进核裂变能方向的资助，继续培育学科力量，更好地发挥核能在交叉学科中的支撑作用以及为国家重大需求服务。”他说。
排版｜郭刚
《中国科学报》 (2020-1-20 第4版 自然科学基金)
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