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重大研究项目重大研究项目重大研究项目 61 9 加速器驱动洁净核能系统物理及技术基础研究 1 加速器驱动洁净核能系统的物理及技术基础研究 项目总结报告 夏海鸿 1 2 赵志祥1 1 中国原子能科学研究院 北京 102413 2 西北核技术研究所 人们在享受核电带来的巨大好处时 也不得不面对核电产生的核废料 尤其是长寿命核废料 的最终处理处置难题 根据对核电站废物的潜在生物危害性分析 核电站废物的远期风险决定于 长寿命高放废物 其中 主要是 Np Am Cm 等被称为次量锕系核素 MA 的核素和长寿命裂变 产物 LLFP MA 和 LLFP 要衰变数十万年才能达到天然铀的毒性水平 大量的如此长寿命高放 废物进行地质深埋处置是有环境风险的 国际上早于 20 世纪 60 年代就提出了采用分离和嬗变 Partitioning and Transmutation P T 的方法处置中 长寿命高放废物 即首先将长寿命锕系核 素和长寿命裂变产物从高放废物中分离出来 然后再集中进行嬗变 使其变为稳定或短寿命的核 素 分离和嬗变可以在充分利用资源的同时 大大降低核废料的毒性和体积 采用分离和嬗变的 技术路线 结合必要的少量高放废物的深埋处置是处理 处置 MA 和 LLFP 的合理的选择 加速器驱动的次临界系统 ADS 是嬗变核废料的最强有力工具 ADS 的研究与开发是一个 集加速器 反应堆物理 核物理 材料科学 核化学等多学科于一身的综合性系统工作 核科技 界认为 ADS 是一条有前途的新一代核能开发的技术路线 国际原子能机构把它列入新型核能系统 中称之为 新出现的核废物嬗变及能量产生的核能系统 研究成果将具有良好的资源效益 安全 效益 环境效益 是我国核裂变能可持续发展值得探索的新技术途径 也是国际上目前研究的一 个热点 加速器驱动洁净核能系统的物理及技术基础研究 于 1999 年 11 月科技部批准立项 2000 年 9 月 27 日在中国原子能科学研究院启动实施 主要承担单位是中国原子能科学研究院和中国科 学院高能物理研究所 项目依托单位为国防科工委和中国科学院 参加单位还有北京大学 清华 大学 西安交通大学 南华大学 西南物理研究院 西北核技术研究所等 投入人员 70 余人 5 年的主要研究内容为反应堆物理及外源驱动零功率次临界反应堆实验 强流加速器物理及 相关的单项技术 核物理基础 ADS 系统物理性能研究等诸方面 与先进核能国家比较 我国的 ADS 研究起步较晚 投入也较少 但由于充分利用了承担单位的技术积累 很好地借鉴了国外的 先进经验并且充分发挥了科研人员的积极性和创造性 目前 我国 ADS 研究整体上达到国际水平 有些已经达到国际先进水平 得到了国际同行的认可 我国在国际上相关领域已占有一席之地 我们的项目已被国际同行列入国际发展势态图表 具有一定的国际影响力 我国在国际合作中有 了实在的份量 人员往来日益活跃与频繁 与意大利 瑞士 日本 韩国等都有合作框架 2005 年 我们还成功举办了 第三届亚洲 ADS 会议 来自日本 韩国及瑞士三方的 9 名代表和中方 30 多名代表参加了会议 我们的研究成果可以归纳如下 1 在国际上第 1 个建立了快 热耦合的 ADS 次临界实验平台 在 ADS 研究初期 我们即提出 ADS 快 热耦合的概念 内区为快区 由天然铀 锕系核和铅 或钠 组成 外区为热区 内区可看成是中心的散裂中子源的中子倍增器 在嬗变锕系核废料 转换核燃料的同时具有放大外中子源的作用 并有一定的能量输出 外区主要具有放大内区中子 的作用并产生能量 之后 国外也相继提出了 ADS 快 热耦合的设计 经过 5 年的艰苦努力 攻 克了设计 加工 制造中的许多难关 终于建成了国际上第 1 个实现了快 热耦合的 ADS 次临界 实验装置 启明星 1 次临界实验平台 国际原子能机构将于 2006 年 10 月召开 ADS 低浓化会 议 而我国的启明星 1 已经实现了 ADS 低浓化要求 因此 国际原子能机构特地邀请我们的专 家去作报告 2 建立了具有国际先进水平的强流 RFQ 加速器 这是继美国 Los Alamos 国立实验室的 CW 模式 LEDA RFQ 之后所建造的功率最高的 RFQ 加速器 我们的 RFQ 加速器是按 CW 设计 加工 建造的 但是 由于束流功率水平需要逐步提高 所以 第 1 步目标是 6 工作比 以后再逐步提高到 CW 选择 6 工作比是受限于高能物理研究所 1 号 厅现有水冷供给能力 其供电能力也不能支持 CW 运行 但即使运行在 6 工作比 此 RFQ 束流 功率在目前仍然仅次于 LEDA RFQ 强流加速器所采用的四翼型 RFQ 具有很高的技术挑战 发展 强流质子加速器的各国无不把它作为需要突破的首选技术关键 投入大量时间和经费 开发其技 术 法国 意大利 韩国等于 1997 年左右开始强流 RFQ 的研制 目前 仅有韩国于 2001 年建立 了 1 台 3 MeV 的 RFQ 但由于加工失误 不仅频率不对 流强也远没达到设计值 只好重新建造 而法国 意大利到什么时候建成目前尚无定数 由此可见 强流 RFQ 加速器的建造是十分困难的 有一系列技术难题有待克服 必须要有所创新 我们选择了高起点出发 跳跃式发展的创新技术 路线 跳过冷模研制阶段 直接进入工艺模研制 由此 我们省去两年的时间和近百万元的经费 并很快地缩短我们与国际水平的差距 在 RFQ 物理设计 腔体制造 实验研究和射频功率源改造 中我们也都有所创新 虽然起步较晚 已经很快达到国际先进水平 3 建立了具有国际先进水平的强流离子源 成功研制了 ECR 微波离子源 该离子源结合电磁 永磁及铁回路 和国内外传统的同类型离 子源相比 具有结构紧凑 维修方便等优点 其主要性能指标如引出束流密度 引出束流发射度 运行可靠性等均接近国外先进水平 在 ECR 离子源研制工作中 解决了目前国内外同类离子源普 遍存在的在引出强流离子束的情况下 因二次电子回轰造成离子源寿命受限制的问题 取得了创 造性的成果 在本项目研究的强流 ECR 离子源 强流低能束聚焦磁透镜及相关技术成果基础上 为其他项目研制成功 1 台 D 强流低能机 并已投入实际运行 ECR 离子源连续数月工作 累计出 束时间超过 400 h 一直不需任何维护 证明了它的可靠性 4 在国际上首次解决用中子源倍增实验测量的 keff与理论值差别的问题 这个问题从上个世纪 80 年代以来国际上一直未解决 为了解决这一问题 人们试图用不同的 方法来对测量的 keff值进行修正 提出了不同的改进中子源倍增实验方法 我们从有源输运方程出 发 结合源倍增方法的定义给出实际用中子源倍增实验测量的是在 ADS 研究中所引进的参数 ks而 不是参数 keff 我们也对参数 ks和参数 keff之间的关系进行了实验验证 指出参数 keff是决定系统 的安全问题 而参数 ks是怎样利用外中子源问题 同时 研究也表明在用中子源倍增方法临界外 推实验时 实际是两个参数都是趋于 1 因此 看不出它们的差别 但在用中子源倍增方法测量 参数时 实际测量的是的参数 ks而不是参数 keff 5 在国内首次建立和配套了 ADS 中子学研究专用计算机软件系统并开展 ADS 工程概念优化 方案计算 将 ADS 中子输运计算与燃耗计算的耦合 在国内是属于创新性的工作 达到国际同类研究水 平 并在国内首次开展 ADS 工程概念优化方案计算 达到国际同类研究水平 完成了以核废物嬗 变 产能和钍资源利用为目标的加速器驱动快 热耦合次临界系统的概念设计 该概念设计有以下 优点与创新性 1 由于快 热耦合 快中子包层相当于中子放大器 放大系数可达到 10 以上 因而大大降低了对质子加速器束流强度及能量的要求 2 快包层对 MA 有极好嬗变性能与能力 热包层用于对长寿命裂变产物的嬗变及产能 因而兼顾了嬗变及产能的要求 3 热包层采用钚 钍燃料循环 为钍的利用开辟了新的途径 4 对快 热耦合装置的物理设计中一些新问题 如放 大系数 耦合系数等 的计算 提出并建立了理论模型与计算方法 这些都是反应堆物理学科中 有待解决的新问题 63 9 6 建立了国际水平的 ADS 专用中子和质子微观数据评价库 这是继美国 日本后建立的中高能评价数据库 评价数据与新的实验数据符合更好 特别是 发射中子 质子 氘 氚 3He 和 粒子的双微分截面的结果是国际上最好 部分核评价的结 果已发表在 Nuclear Physics A Nuclear Science and Engineering Nuclear Instruments and Methods B 和 高能物理与核物理 等杂志上 大部分微观数据已经制作成多群常数提供使用 在建库的同时 还发展了自己的中能核数据的理论计算程序 MEND 该程序在平衡反应的 Hauser Feshbach 理论中严格考虑了宽度涨落修正 在预平衡反应的激子模型中 包括了轻复杂粒子 3He 4He 氘和氚 发射的拾取机制 考虑了多次预平衡发射过程 适用的入射粒子能区较宽 7 创造性地进行了专用材料研究 高剂量辐照是 ADS 材料辐照效应研究的一个关键问题 现有中子和质子源用于这样高剂量的 辐射损伤研究需要几百天至几年的辐照时间 而我们采用重离子辐照仅需要几十分钟至几十小时 辐照剂量即可高达 100 dpa 大大缩短了研究周期 经过重离子辐照模拟高剂量中子或质子产生的 辐照效应的可靠性实验验证后 用重离子辐照模拟方法进行了多种国产 ADS 散裂中子源束窗和靶 材料高剂量辐照效应的性能试验 在国内首次进行了钨靶材与冷却剂的相容性试验以及钨靶材 包 壳的复合工艺试验研究 为 ADS 靶系统提供钨靶材料与冷却剂的相容性数据 为 ADS 试验装置 的钨靶件制造提供工艺参数的参考数据 8 探索性研究取得积极成果 首次以正面的观点和积极的态度从裂变核能持续发展的角度系统地分析研究了核废料核素的 价值 研究表明 从中子学价值和环保价值考虑 核废料核素有必要而且也可能通过开发 ADS 技 术加以循环利用 对 ADS 特有的辐射防护问题开展了研究 特别是对 ADS 系统由于质子束管存 在产生的辐射计量问题的研究 对 ADS 的系统屏蔽计算等在国内是第一次 在国内首次研究建立 了 ADS 系统瞬态仿真平台 并利用该平台对 ADS 系统加速器束流瞬变事故过程进行了仿真研究 靶区流场可视化研究 靶区流场的数值模拟 靶区流场的优化设计跟踪了国外的相关研究 在国 内属创新性研究 其中 靶区流场的优化设计中的部分思路 在国外也未见报道 靶件热应力分 析方法的建立在国内属于创新性研究 国家重点基础研究发展规划项目 G1999022600 2 ADS 次临界中子学研究进展 史永谦 夏 普 朱庆福 李义国 张 巍 曹 健 权艳慧 罗皇达 吴晓飞 ADS 系统反应堆物理基础研究为中国科技部 973 项目 加速器驱动核能系统的物理及技术基 础研究 的第 2 课题 五年来 已经完成了计划任务书中规定的所有的项目 包括第 1 阶段的稳态 外源 252Cf 驱动水堆零功率次临界 东风 3 号 实验及分析和第 2 阶段的建立 启明星 实验 装置并开展初步实验研究 在第 1 阶段 先后探讨了次临界度及能谱的测量方法 解决了用中子源倍增实验测量的 keff与 理论值差别的问题 这个问题是上个世纪 80 年代以来国际上一直未解决的 指出用中子源倍增实 验测量的是在 ADS 研究中所引进的 ks而不是 keff 并对 ks和 keff之间的关系进行了实验验证 得 出 keff是决定系统的安全问题 而 ks是怎样利用外中子源问题 在第 2 阶段 建立启明星 1 实验装置 在该平台上可研究 ADS 次临界系统有效增殖因子 keff 实时测量和监督的方法 可宏观检验相关核数据和校核中子学计算程序 可开展 ADS 次临界系统 中子学研究 外中子源对次临界反应堆的影响 可开展长寿命核素嬗变实验和研究 为此 要求 其结构尺寸准确 材料参数可靠 结构合理 操作方便 安全可靠 次临界装置边界清楚 除束 中子源外杜绝散射中子进入 装置水平高度可调 次临界反应堆有效增殖系数在 0 95 0 98 之间 可调 在建立 启明星 1 实验装置时 攻克了加工制造中的许多关键问题 在国际上建立了第 1 个快 热耦合的 ADS 次临界实验平台 实现了 ADS 次临界反应堆的低浓化要求 平台具有国际先 进水平 并得到了较大的国际影响 瑞典 美国和西班牙等国表示了极大兴趣 并愿与我国进行 合作 共同研究 启明星 1 次临界实验平台现已开展的研究有 实验外推临界值 快区热中子通量的径向和轴向 分布测量 快区燃料元件与热区边沿燃料元件的关系测量 在线测量次临界系统对外中子源的瞬时 响应等 3 启明星 1 次临界装置上第 1 阶段实验研究 史永谦 夏 普 朱庆福 李义国 张 巍 曹 健 权艳慧 罗皇达 吴晓飞 在启明星1 次临界装置设计 加工过程中 先后建立在线 瞬时响应的测量仪器 次临界反应 堆多时空动态测量系统 该系统包括16个3He探测器及其前置放大器 16个主放大器 16个甄别成 型单道及1台16通道同时信号采集和分析器 可测量ADS启明星次临界实验平台对加速器束流的瞬 时响应 同时购买3He管16个 10 mm 125 mm 用于16通道同时信号采集 建立热中子通量在线测 量系统 用3He管4个 10 mm 10 mm 同时测量 研制噪声测量分析系统 购买反应堆启动仪器2 套 反应堆功率测量仪器两套用于启明星1 次临界装置运行使用 启明星1 次临界装置建成后于2005年7月18日举行了首次装料仪式 之后进行了第1阶段的实 验研究 即用Am Be稳态外中子源驱动启明星1 次临界装置 测量其中子学特性 包括 首次外 推实验 结果列于表1 快区所加元件数为半根 热区所加元件数为根 无反射层时平均值为2 333 19 有反射层时平均值为2 312 21 外中子源在堆芯不同位置的相对价值 表2 快区热 中子通量的径向和轴向分布测量 图1 2 无热区元件时 探测器在屏蔽层内和快区边沿时 中子 计数随快区元件增加的变化规律 图3 4 首次外推实验包括 1 加外中子源 测量本底 2 加快能谱区燃料元件264根 keff 0 487 3 加热能谱区燃料元件4圈540根 keff 0 7 中子计数由以上数据外推 4 按外推临界值1 2加料 至 keff 0 9 实验外推临界确定了最后装载 表表表1 1 1 启明星启明星启明星1 1 1 倒数外推结果倒数外推结果倒数外推结果 距源位置 mm 外推值 条件探测器 0175350 1 2 3042 3302 353 2 2 3082 3402 335 无反射层 3 2 3292 3662 334 1 2 3042 3142 319 2 2 2982 3252 311 有反射层 3 2 2662 3382 333 表2 外源不同位置的相对价值 65 9 源位置 cm 017 5355060 相对价值1 000 00 846 9 0 004 50 485 5 0 044 80 167 5 0 017 40 054 58 0 001 3 图1 快区热中子通量轴向分布测量结果 加入热区元件数 根 1 10 2 9 3 8 4 7 5 6 6 5 7 4 8 3 9 2 10 1 图2 快区热中子通量的径向分布测量结果 加入热区元件数 根 1 0 2 10 3 17 5 4 25 5 35 6 42 5 图3 无热区元件时 探测器在反射层边沿时 中子计数随快区元件增加的变化规律 1 1号探测器 2 2号探测器 3 3号探测器 图4 无热区元件时 探测器在快区边沿时 中子计数随快区元件增加的变化规律 4 启明星 1 次临界装置上第 2 阶段实验研究 史永谦 夏 普 朱庆福 李义国 张 巍 曹 健 权艳慧 罗皇达 吴晓飞 启明星 1 次临界装置建成后 在第 1 阶段的实验研究即用 Am Be 稳态外中子源驱动启明星 1 次临界装置 Am Be 稳态外中子源的平均中子能谱约 4 MV 初步测量了其中子学特性后 又 于 2005 年 10 月到 11 月进行了第 2 阶段的实验 即用高压倍加器产生的脉冲外中子源驱动启明 星 1 次临界装置 高压倍加器产生的脉冲外中子源能谱为 14 MV 测量其中子学特性 包括 1 验证第 1 阶段的实验 外推临界质量 2 跳源方法测量启明星 1 的不同装载时的次临界度 3 用脉冲外中子源驱动启明星 1 次临界装置 测量不同装载下不同空间位置的中子衰减特性等 其中 外推临界质量与第 1 阶段的实验研究在测量误差范围内一致 说明不同能量的外源来 源驱动启明星 1 次临界装置 其临界质量不变 但是 由于中子能量不一样 在快区天然铀的作 用距离不一样 前者在快区天然铀的第 6 圈快区外围的中子探测器中子计数最大 而后者则在快 区天然铀的第 8 圈快区外围的中子探测器中子计数最大 这说明外源中子能量越大 对快区天然 铀的作用距离越大 这对今后工作 即用散裂中子源具有重要指导意义 在建立的 ADS 次临界实验中子通量密度时空分布测量与数据采集系统上 在 4 个不同测量位 置 开展了 5 个次临界度下的动态测量 利用理论与实验相结合估算的次临界度分别为 keff 0 980 0 0 977 6 0 975 2 0 971 6 0 968 0 获得了大量的实验数据 本工作发现在同一装载下不同空间位置测出的瞬发中子衰减常数差别较大 表明空间效应非 常显著 跳源方法测量启明星 1 的不同装载时的次临界度也是在 4 个不同的测量位置 开展了 5 次次临界度下的动态测量 与次临界度中子通量密度时空分布测量相同 获得了大量的实验数据 表明空间效应非常显著 需要在下阶段进行深入研究 5 启明星 1 中子通量密度测量实验 权艳慧 史永谦 夏 普 朱庆福 吴晓飞 张 巍 罗皇达 启明星 1 是由 1 个快中子能谱区 热中子能谱区耦合组成的堆芯和由外中子源来驱动的次临界 系统 快中子能谱区在堆芯内部 热中子能谱区在堆芯外部 快区不仅能够提供快中子能谱 还 可放大外中子源用于驱动热区 热中子能谱区主要用来能量放大以维持装置的链式裂变反应 在 67 9 此装置上开展通量测量实验是为了了解这种新型快热耦合装置跟其它装置相比有何异同 分别用 高压倍加器驱动产生的氘氚反应和镅铍外中子源研究整个堆的通量分布 以便于开展核嬗变研究 工作 在此装置上进行 4 种情况下的中子通量密度分布实验 1 空装载时的快区中子通量分布 利 用镅铍外中子源驱动 2 只有快区元件时的快区中子通量分布 利用镅铍外中子源驱动 3 满装载时的快区中子通量分布 利用镅铍外中子源驱动 4 满装载时的快 热区以及屏蔽层的 中子通量分布 加速器驱动 第 1 3 种通量分布实验是利用小的 3He 管测量 分别测量轴向 径向的通量分布 第 4 种是 利用铜丝来测量通量分布 将铜丝放在堆里照射 照射完后用高纯锗谱仪测量每一小段的通量分 布 实验中所用到的小 3He 管是 10 mm 10 mm 活性段 10 mm 的正比计数管 这类计数管是利 用 3He n p 反应 探测快中子和中能中子的效率为 0 01 数量级 随能量显著变化 6 Rossi 法用于 ADS 次临界系统测量 罗皇达 史永谦 朱庆福 曹 健 张 巍 本实验用 Rossi 法测量启明星 1 的瞬发中子衰减常数 在建立这套测量系统过程中对实验 原理和所测量的动态参数进行了研究 并 Rossi 方法进行了理论推导 导出了需要测量的动态参 数 瞬发中子衰减常数 的表达式 Rossi 方法测量系统设备的构成主要有 3He 中子计数管 前置放大器 主放大器 Counter Timer 类型的数据采集卡和计算机及其软件系统 这套系统的重 点部分是数据采集及数据分析软件 编制的数据采集分析软件性能稳定 能高速准确地采集中子 脉冲信号 并可存储下来便于以后再次对其分析 或用其它方法如费曼法等对其分析以获得堆的 动态参数 在启明星 1 上测量了相当长时间 获得了大量数据 并对数据进行分析 得到了装置在不同 的次临界度下的瞬发中子衰减常数 然后拟合出缓发临界时的瞬发中子衰减常数并求出次临界度 7 启明星 1 次临界中子学动态实验研究进展 曹 健 史永谦 夏 普 朱庆福 张 巍 罗皇达 李义国 权艳慧 吴晓飞 在次临界实验平台启明星 1 上开展中子学动态实验研究有助于深入了解和认识 ADS 系统的 中子学时空特性 对今后合理设计 安全运行 ADS 次临界系统具有重要意义 ADS 次临界中子 学动态实验研究已经取得很大进展 建立了 ADS 次临界实验中子通量密度时空分布测量与数据采集系统 该测量与数据采集系统 由 8 支 3He 正比计数管 集成了 8 个通道的前置放大器和主放大器加单道 1 块集成了 8 个通道 的数据采集卡以及相关软件组成 测量方式灵活 可任意选取从 1 道至 8 道的测量方案 通过在次临界实验平台启明星 1 上进行安装和调试 表明该系统硬件性能稳定 数据采集的 结果显示直观 数据处理调用采集结果方便 系统整体功能比较强大 具有进一步开发的价值 在加速器外源驱动