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太过先进，无法展示？——核能新技术ADS真的靠谱吗？精选

已有 18311 次阅读 2017-2-8 13:53 |个人分类:核能|系统分类:观点评述| 核能, ADS

前不久，网络和朋友圈上一条消息刷屏，说中国在核能应用技术上取得重大突破，并且“太过先进，无法展示”。这项技术叫做加速器驱动次临界系统（ADS），我以前关注过，利弊略有了解，知道它还很不成熟，离实际应用很远。刚看到这条消息的第一反应是，又有人搞笑了吧？仔细看过这条消息和很多评论之后，感觉非常不舒服。

先简单介绍一些相关概念：

加速器驱动次临界系统（ADS）：

目前说到核能一般是裂变核能。只要有中子，就能诱发裂变（自发裂变的可能性很低）。一般反应堆依靠自己裂变产生的中子临界运行，依靠控制裂变燃料的浓度，几何形状等，保证用掉一个中子正好产生出一个可以再次引起裂变的中子。如果不小心多了一点，中子就会越来越多，导致反应失控，这就是超临界。一般还利用温度高低，气泡多少，控制棒等，控制链式反应。但一般临界到超临界的余量很小。次临界系统就是不到临界状态运行，一次裂变产生的有效下一代中子数少于1，能够保证反应堆不超临界。但这样，裂变反应无法自持，因此需要一个比较大的中子源提供第一代中子。加速器产生的高能质子打到重的原子核上，能把核内的很多中子打出来。这些中子能量高，诱发裂变能力强。这就是加速器驱动次临界系统的概念。

ADS的优点是第一是次临界，第二是中子能量高，比快堆里的中子还快。快堆能做的事情它都能做，而且做得更好，比如燃烧超铀元素（核废料中最讨厌的那部分），增殖（生产更多核燃料）等。缺点是技术复杂，发电需要的加速器还做不出来，还有一些技术也不知道能不能实现。里面的反应过程远比普通的水堆快堆复杂，基本的理论和实验都还有很多欠缺。

启明星1号，2号

启明星1号是原子能院研制的，在次临界条件下，一个测不同核燃料构形下中子倍增率的一个装置，2005年建成。同类装置国际上是上世纪四五十年代的重要研究内容，是中子学研究的基础实验装置。

启明星2号没有公开技术信息。我推测是像比利时2009年做的那样，实现了高通量聚变中子源与次临界堆芯的耦合，但从报道上看不出来。推测的理由是，该装置是原子能院和近代物理所联合研制的，原子能院会做堆芯，近代物理所会做加速器。

嬗变

嬗变是导致原子核种类发生变化的核反应。

核能应用中，特指将长寿命高放射性核废料（超铀元素）裂变掉，变成短寿命放射性元素的反应。

ADS中的高能中子能够使超铀元素裂变。因此，嬗变超铀元素是ADS的主要应用领域之一。

但是实际应用起来并没有想象的那么好。一是这种燃烧并不干净，只能减少，并不能消灭超铀元素。如果直接在乏燃料中使用的话，甚至不能减少，因为还会同时生成超铀元素。如果将乏燃料中的超铀元素提取出来，那么需要极其昂贵和风险巨大的后处理，还不能完全分离。

那么ADS究竟前途如何呢？

自上世纪90年代以来，美国的科学家就在倡导ADS概念。欧洲，日本，印度，中国都产生了兴趣。2010年，美国能源部邀请当时相关领域的多国专家对该方案进行了评估，评估报告形成了一份白皮书。白皮书详细介绍了ADS的概念，相关的技术和前景。主要成果是对不同应用场合下，相关各种技术的成熟度进行了仔细的评估。应用场合包括嬗变示范，工业嬗变，和发电。评估结果如下，其中绿色表示可行，黄色表示“可能可以，但是需要进一步的分析或者示范”，红色表示“需要进一步研究”，也就是现在还不行。

白皮书措辞和结论都偏向于推进ADS的研究。但美国政府评估之后，并没有启动任何专门的ADS计划，只有与ADS概念相关的一些研究，原来就在进行的，并不是专门为ADS启动的，如超导射频加速，散裂中子源，费米实验室的Project-X等，仍然在做。日本与美国类似，感兴趣，有相关研究，但是没有专门的项目。印度的兴趣主要在将ADS应用于他们核能三步走战略中，同样也没有直接的专门计划。俄罗斯比较早就对ADS感兴趣，并做了一些基础研究。

只有欧洲的比利时和中国有专门的ADS项目，比利时的MYRRHA项目计划在2024年建成一个示范的低功率（5到10万千瓦热功率）ADS，主要用于各种研究。工业发电并没有计划支持，但是讨论的时间表是2040-2050年。中国的计划具体而且激进，计划到2022年完成ADS示范，2030年左右实现工业示范。

那么计划按时完成的希望大不大呢？

比利时的研究开始比我们早，进展比我们快，但安排的完成时间比我们晚。

2010年美国能源部ADS白皮书中的技术就绪程度评估表，现在已经过去6年多，评估表的结论却没有什么变化，没有哪个框的黄变成绿，红变成黄。作为一个基础中子学研究装置，启明星2涉及的技术没有出现在ADS关键技术就绪程度评估表中。同期近代物理所ADS强流质子超导直线加速器样机研制取得的重大进展，也没有改变评估表的状态。作为关键参数的流强仍然显著低于国际上十几年前已经实现的离子源流强（10毫安对超过100毫安），但该装置在不失束和超导加速注入等方面另有优势。所以，这些成果对于我们来说可以算是进展，但对于ADS技术的整体推进来说，还不能算是重大进展。

根据白皮书的技术评估表，作为第一目标的ADS示范装置，要实现技术上并没有太多困难，只是多项技术的可靠性需要验证。主要参数（中子流强，功率）和2006年在美国橡树岭国家实验室建成的散裂中子源没有多大差别，但是需要解决较长时间的持续运行问题。

这一示范工程和工业应用还有很大的距离，技术上有较大的不确定性。由于ADS投资巨大，还是难以操作维护的强放射性装置，技术上还不确定，因此可以理解，为什么多数国家持慎重态度。

美国能源部评估后采取的行动，已经表明了该技术当时还不成熟。美国的这一技术白皮书政策值得我们借鉴。当有很多科学家提倡一项技术的时候，不是匆匆忙忙启动大项目，而是先多花一点力气评估。评估后确定是否启动。我们一般是只要有几个资深专家院士提倡，国家就直接启动。大型科研项目风险也很大。风险最后都是国家承担，对于提倡的专家们，只有好处没有坏处，最多一句科学允许失败。可是国家经不起太多的投资失败。

其实，即使ADS项目能够克服众多的技术障碍，如期建成，方案本身仍有大量问题很难解决，或者不能接受:

燃耗很低，不容易提高：

与传统临界堆不同，ADS的中子倍增系数k严格小于1，一般取0.92~0.98之间。反应堆的功率等于散列中子引起裂变的功率乘以一个倍增系数1/(1-k)。如果k=0.98，功率放大50倍，k=0.95，放大20倍。也就是如果k从0.98降到0.95，反应堆的功率将降低到原来的40%。这时候燃料的燃耗只有约3%，还不到一般二代堆的燃耗。要维持反应堆功率，只能提高第一代裂变功率，也就是散裂中子功率，即加速器功率。问题是加速器功率本来就是瓶颈，要实现一定燃耗下的功率稳定，没有那么大的加速器功率余量可用。即使有了上面例子中需要的2.5倍功率余量，燃耗还不到区区3%（27百万千瓦天每吨重金属，GWD/tHM，低于二代堆33-40GWD/tHM）。

随燃耗上升，裂变产物增加，不裂变的元素浓度增加，中子吸收增加，能谱软化，反应性降低。保持反应性需要就只能降低燃耗，频繁换料，并后处理。频繁后处理是做不到的，因为燃料下线后必须有很长的冷却时间，否则放射性太强。

注：传统临界堆中，燃料开始的反应性有剩余（也就是超临界的，这也是被质疑的一个原因），需要用控制棒降低反应性。随着燃耗的增加，控制棒逐渐退出，再加上一些别的调节措施，一直维持中子倍增系数为精确的1。 ADS由于中子谱非常硬，控制棒效果有限，一般不设计控制棒。如果加上控制棒，会带来很多别的问题，如堆芯控制更复杂，高能中子对控制机构的损伤和活化等。

一回路放射性超高：

一般的热堆或快堆中，一回路冷却剂虽然也有较大的放射性，但是仍然远远不能和乏燃料相比。ADS中的一回路冷却剂直接受到能量高达GeV的质子和中子的轰击，本来不容易活化的元素也会活化，因此一回路冷却剂的放射性将与乏燃料可以比拟，远远大于普通热堆或者快堆。一回路难以设计，防护，和维护，二回路也容易活化，或受到放射性污染，因而整个系统极难维护。

更复杂的核反应：

因为极高能质子和中子的存在，ADS第一级及次级核反应种类繁多，生成物复杂，涉及的元素数目巨大。一般核反应堆需要考虑的元素数目大约是百的量级，而ADS中是千的量级。这给理论分析、模拟计算、实验测量都带来了极大的挑战。

功率密度问题：

普通热堆热功率大约是每立方米10万千瓦，快堆是每立方米40万千瓦，热量如何快速带走已经是一个问题，而ADS每立方米超过100万千瓦，能否稳定带走如此巨量且空间分布很不均匀的热量还需要验证。

衰变余热问题：

跟所有核反应堆一样，当系统故障，外接或备份电源失效，ADS也需要维持长时间的强制冷却，以带走反应堆不断产生的衰变余热。否则会产生融堆这样的极恶劣后果。由于ADS功率密度高，核反应复杂，涉及的元素种类繁多，余热问题至少不比普通热堆简单。困扰普通反应堆的衰变余热问题在ADS中一样存在，并且更糟。

基础研究缺乏问题：

维持普通反应堆运转的中子来源与中子触发的裂变，能量低。中子能量最高不超过10兆电子伏。各种反应截面在实验上就可以测得很清楚。

ADS中，涉及的入射粒子（质子，中子）能量高达10亿电子伏，是裂变中子最高能量的100倍，能激发的核反应自由度比低能中子高许多数量级，理论上写出所有的核反应几乎不可能。实验上，由于生成物复杂，同样难以确定发生了哪些核反应。实验室里，单一能量中子源的最高能量只有14兆电子伏特，更高能量中子的产生只有靠散裂反应。散裂反应产生的中子能谱很宽（从0到10亿电子伏），中子数不定，不知道发生了那些反应。

因此，核反应道，随中子能量变化的各种反应截面曲线都画不出来，或者说，基础研究缺乏，并且困难。没有这些基础数据，反应堆的设计和计算都缺乏依据。

经济性问题：

快堆已经很复杂了，经济性是一个大问题。ADS比快堆还复杂，有一套复杂的性能和可靠性都需要验证的加速器系统，有强大的一回路放射性，有超高的功率密度。加速器效率和散裂中子效率都不高，除了通常的反应堆低发电效率外，还要支出额外的电力维持一个更复杂的系统运行，燃料需要频繁更换，如果要做后处理则成本更高……从发电来说，看不出来这样一套系统经济上是可行的。如果只是为了燃烧超铀元素，成本依然非常高，且仍然需要后处理，过程中还会产生新的超铀元素。

烧不干净问题：

如果不能发电，ADS的最重要用途就是嬗变核废料。从我们上面关于燃耗和功率的讨论来看，核废料很难烧干净。因为烧的同时，还在产生新的超铀核废料。再加上高能质子中子引发的核反应，燃烧后的乏燃料成分也更复杂，难以后处理。最后的结果是，冒巨大风险，花巨额资金后处理得到的ADS嬗变燃料，烧了一点点，就没有办法了。还要地质处置，还要上百万年。

靶的问题：

ADS中的靶是指直接受到加速器高能质子束轰击，产生大量高能散裂中子的材料/部件。如果要达到发电的要求，质子束的功率必须达到数十万千瓦，约90%的能量直接以热的形式沉积在靶上，最大能量沉积区体积很小。除了超高的热能沉积，还有直接的多种模式活化。靶的放射性与乏燃料相差不远。国内提出来的例如颗粒固体流动靶，只要控制流动的机构出了一点问题，靶或者靶部件将被质子束融化甚至热爆，从而不可收拾。

除了上面说到的问题，“启明星1号“，”启明星2号”项目还有一点非常令人费解：

启明星1号是一个基础研究装置，晚于世界同类研究装置40年以上建成。这类装置全世界没有几个，而再与ADS相关的，全世界可以说只有另外一个，就是比利时的零功率装置VENUS，翻译过来也是启明星（或金星，维纳斯）。人家上世纪60年代就建好了，我们2005年才建好，为什么要取一个跟人家一样的名字呢？我们自己的文献中，启明星的翻译是venus。一个装置代号一般全大写，我们全小写是为了和别人区别吗？还是自降身份？问题是全小写就不能叫启明星了。作为行星，第一个字母必须大写。全小写的单词venus跟金星没有关系，不能叫启明星，而只能是自创的一个新词。难道我们一直不知道存在这么一个装置？还是就是要让人家没有名字可叫？问题是人家早了我们那么多年建好，文献中到处都有该装置代号，我们没有读过那些文献吗？我们不参加国际会议吗？报告的时候怎么解释这一名称？别人会怎么想？为什么要无端给自己找麻烦？

科学计划，或者装置名称应当避免与同类计划/装置重名，否则会带来不必要的混乱。如果是缩写或简称，同名尚情有可原，可是“启明星”根本不是一个简称或者缩写，自由度很大，为什么偏偏要跟一台比你资格老的、该领域中唯一的另外一台同样功能的装置同名？

我个人的猜测是，我们取名的时候不知道比利时的装置，虽然这也非常不应该，但是公道地说，由于继承了过去的管理体制，原子能院国际交流很不方便，可以理解。但中科院近代物理所出国交流长期没有障碍，在进行该方向研究的前提下，不知道该装置说不过去。如果对别人的研究和进展一点不了解，怎么知道我们说的重大成就，不是闭塞视听、闭门造车，不是自我感觉良好的评价？