ADS洁净核能系统.pptx

加速器驱动次临界洁净核能系统调研刘昌奇核科学与技术学院2016.12.10ADS系统研发背景ADS系统的原理及结构ADS发展必须解决的技术关键国际和国内研究工作进展总结1 ADS系统的研发背景1.1核能发展背景 发展清洁能源是我国及全球能源可持续发展的战略选择。核裂变能是技术成熟的清洁能源，具有高效、低碳排放、安全可靠和可规模生产的突出优势，是解决未来能源供应、保障经济社会可持续发展的战略选择。 要实现核裂变能的快速、可持续发展，在确保安全的前提下必须解决两个重大问题：核燃料的稳定可靠供应和乏燃料(尤其是其中的长寿命高放射性核废料)的安全处理和处置。其中，后一个问题是我国乃至国际核能界无法回避的重大问题，也是世界尚未解决的难题。 核燃料在反应堆中发生裂变核反应释放出核能用于发电，并生成种类众多的裂变产物；同时，核燃料中的重原子(铀238等)因发生中子俘获反应而生成超铀核素，钚(Pu)、镎(Np)、镅(Am)等。于是，核燃料使用到一定程度后就需卸出成为乏燃料。乏燃料最初 30 至 50 年内，其放射性毒性主要取决于裂变产物；100 年以后毒性主要来自钚等超铀核素和一些长寿命的裂变产物，需经过几万甚至几十万年的衰变放射性水平才能降到天然铀矿的水平。 由于大多数的超铀核素的半衰期很长（从几百年至数十万年），且大多具有α粒子放射性，这些核素被列入放射性毒性分组中的极毒组或高毒组，一旦进入人体，会对组织和器官造成严重的辐射危害。一座100万k W的压水堆（PWR）核电站，每年卸出乏燃料约25吨；其中含有可循环利用的铀约23.75吨，钚约200 kg, 中短寿命的裂变产物(FPs)约1吨；还有次锕系核（MAs）约20 kg，长寿命裂变产物（LLFPs）约30 kg，这些核废物寿命长、放射毒性大，对环境构成长期危害。 随着我国核电站装机容量的快速增长，核废料的累积量将快速增加，乏燃料特别是其中的长寿命高放射性核废料的安全处理处置将成为影响我国核电可持续发展的瓶颈问题之一。1.2 乏燃料处理方式 根据乏燃料和高放射性核废料处理处置方式的差异，国际上主要有三种核燃料循环模式：① “开环”模式 ②铀钚再利用的“闭式循环”模式 ③“分离—嬗变”闭式循环模式。 “开环”模式（又称一次通过长期处置）：乏燃料将直接作为高放射性核废料进行地质深埋。这种模式相对费用较低，特别是未对其中的钚进行分离，可防止核扩散。但由于需要在地质层中长期存放，其环境风险无法预期和有效控制。 铀钚再利用的“闭式循环”模式：将乏燃料中的铀和钚分离出来，并制成混合氧化铀钚（MOX）燃料，剩下的高放射性核废料经玻璃固化等工艺处理后进行最终的地质深埋。该循环模式可以明显提高核燃料的利用效率，同时也将大幅减小高放射性核废料的处置量。但由于次锕系核素和一些长寿命裂变核素的存在，核废料的放射性毒性需要上万年的时间才能衰变至天然铀矿的水平。 “分离—嬗变”闭式循环的概念是 20 世纪90 年代提出的，其核心是在铀/钚再利用闭式循环的基础上，进一步利用嬗变核反应将高放射性核废料中的次锕系核素等长寿命核素转化为中短寿命、低放射性核素或稳定核素。这就是加速器驱动次临界系统（Accelerator driven sub-critical system (ADS)），嬗变处理可以将高放废料的半衰期从几十万年减少至几百年。也就说，原本需要存放几十万年的高放废料，经过处理后，只需存放几百年就可以了。1.3 ADS是理想的焚烧炉 ADS由强流质子加速器、外源中子产生靶和次临界反应堆构成，是一种高效的核废物嬗变器（或焚烧炉）。 一个系统的嬗变能力和增殖能力主要由两个因素所决定：①除了维持系统自持和考虑各种吸收及泄漏外的中子余额数目；②系统嬗变或增殖每个核所消耗的中子数目。 与临界堆相比，ADS系统有两个重要的特点。第一，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，因此其核燃料的增殖能力和核废料的嬗变能力明显强于其他所有已知的临界堆。第二，由于ADS系统的能谱很硬，几乎所有长寿命的锕系核素在ADS系统中都成为可裂变的资源，因此，ADS系统中锕系核素的中子经济性明显好于其他所有已知的临界堆。ADS具有良好的安全性，ADS燃料中对MAs的装载量没有严格的限制。在所有已知的嬗变系统中，ADS是最理想的核废物焚烧炉。2 ADS系统的原理及结构 ADS 系统由强流质子加速器、重金属散裂靶和次临界反应堆三大分系统组成（图）是一种高效的核废物嬗变器（或焚烧炉）。它集成了20 世纪核科学技术发展的两大工程技术——加速器和反应堆技术。其基本原理是，利用加速器产生的高能强流质子束轰击重核产生宽能谱、高通量散裂中子作为外源中子，来驱动次临界堆芯中的裂变材料发生链式反应。散裂中