核废物处置战略和加速器驱动次临界嬗变系统(ADS)研究课件

清华大学

2011年7月14日

核废物处置战略和加速器驱动次临界嬗变系统(ADS)研究展望

赵志祥

中国原子能科学研究院

清华大学

2011年7月14日核废物处置战略和动因：确保能源的稳定供应是可持续发展战略的重要环节我国能源安全面临的两大挑战

能源需求与资源不足之间的矛盾能源结构不合理

动因：确保能源的稳定供应是可持续发展战略的重要环节我国能源安人均能源消费量与人均GDP的相关性:

人均GDP达到1万美圆人均能源消费量为4吨标煤●到2020年

能源需求量：25-33亿吨标煤电力发展预测：860-950GWe●到2050年能源需求量约为50亿吨标煤

未来能源需求预测引自:国家发改委能源所分析报告能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾人均能源消费量与人均GDP的相关性:未来能源需求预测能源安全●目前世界能源总消耗量：

134亿吨标煤●2002年我国一次能源产量：

13.87亿吨标煤(世界第二)●2002年我国一次能源消费量：

14.8亿吨标煤(世界第二)●2002年我国发电装机容量：

357GW(世界第二)能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾

引自:国家中长期科技发展规划战略研究报告●目前世界能源总消耗量：能源安全面临的两大挑战：引自:国家

我国人均值与美国与世界人均值比较平均值比较石油2.6t1/51/9天然气1074m31/161/23煤炭90t1/101/2能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾我国人均值与美国与世界●煤炭:

探明储量:10018.7亿吨可开采量:1600亿吨

90%集中在秦岭、大别山地区

能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾化石资源是非常有限的，在化石能源的开采使用方面不能再竭泽而渔！●煤炭:能源安全面临的两大挑战：化石资源是非常有限的，在●石油:

总资源量:940亿吨可开采量:56亿吨,

最高年产量:3亿吨到2020年需求量:4.5-6亿吨●天然气:

总资源量:38Tm3

可开采量:1.5Tm3

最高年产量:0.1Tm3

到2020年需求量:0.16-0.2Tm3能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾不可能大量用于发电●石油:能源安全面临的两大挑战：不可依赖进口石油、天然气的能源安全问题油、气产地局势动荡中东地区的石油供应受美国操控漫长的海上输油线路难有安全保障引发与日韩等石油进口国的激烈竞争能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾依赖进口石油、天然气的能源安全问题能源安全面临的两大挑战：●水能:

理论蕴藏量:767GW,

技术可开发:379GW

68%集中在西南地区极限装机容量:240～260GW

能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾

三峡水电站●水能:能源安全面临的两大挑战：三峡能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾塔克拉玛干大沙漠中的2MW太阳能电站●太阳能：能量密度低，稳定性差，成本高10亿吨标煤的能量：占地～10万km2，～20亿吨钢铁水泥

容量因子≤15%，光伏电池组件4000美元/kW能源安全面临的两大挑战：塔克拉玛干大沙漠中的2MW太阳能电站

●风能：最古老的能源之一能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾总储量16亿千瓦可经济开发100万千瓦能量密度低

1GW电厂占地：∽100km2供能的间歇性容量因子≤30%

能源安全面临的两大挑战：总储量16亿千瓦内蒙古磴口县风力发电站能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾内蒙古磴口县风力发电站能源安全面临的两大挑战：能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾森林的生态价值是木材的经济价值的十倍我国森林过度砍伐，造成的土地沙漠化和水土流失严重

大兴安岭亮资源红灯，16年后将无木可采●生物质能（薪碳）再生速度远远不能满足需要能源安全面临的两大挑战：森林的生态价值是木材的经济价值的十倍

其它可再生能源：潮汐发电：可经济开发1000万千瓦

1985年建成浙江江厦电站,0.32万千瓦地热发电：到88年地热利用折合38万千瓦海洋能(温差发电,波浪发电等):

理论储量4.6亿千瓦,开发难度极大

从资源的层面看,可以大规模替代化石能源的只有核能

能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾其它可再生能源：能源安全面临的两大挑战：

世界中国

化石

85%93%

石油39%17%

煤炭24%74%

天然气22%2%

水力6.9%5%

核能6.3%1%

其它

2.5%0.6%能源安全面临的两大挑战：能源结构不合理

燃煤在能源结构中占支配地位世CO2排放总量CO2排放量人均年用电量

单位电量CO2排放量等效煤耗核电装机总装机比人均核电装机人均核电装机比CO2排放量

国家百万吨吨kWhkg/kWhkg/kWh%kWhkWe/吨美国5228.3219.88110601.80.7621.980.3760.0187中国3006.772.517603.31.41.490.00180.0007俄国1546.8910.4458601.37

11.390.1340.0128日本1150.949.1767001.81

30.70.310.0338德国884.4110.8360001.84

29.330.2770.0256英国564.849.6452501.84

25.790.20.0207加拿大470.815.9180200.88

19,070.5320.0334法国362.026.2378100.80.3475.291.0070.1616韩国352.17.8735202.440.9535.480.1830.0233能源安全面临的两大挑战：能源结构不合理CO2CO2人均年单位电量CO2排放量等效核电装机人均人均中国原子能科学研究院

温室气体问题

年份

CO2排放量，亿吨

1972160199021619962302000250中国原子能科学研究院

中国原子能科学研究院

各类电厂的投资费用与建设周期1000-1300

核电

1500~2000

15~2014~6

1020304050世界人口，亿0500100015002000250300350400大气层二氧化碳浓度ppm年代工业革命以来CO2浓度：自260ppm上升至爱280ppm100年内：地球大气温度上升0.3–0.60C海平面上升10–25cm燃煤带来的问题：排放大量温室气体中国原子能科学研究院

中国原子能科学研究院

中国原子能科学研

CO2排放总量人均年用电量（百万吨）（kWh）美国5228.3211060中国3006.77760俄国1546.895860日本1150.946700德国884.416000英国564.845250加拿大470.818020法国362.027810韩国352.13520燃煤带来的问题CO2排放总量燃煤带来的问题排放粉尘等气体

气象条件不好的情况下，发生象“伦敦杀人雾事件”那样的重大环境污染事故的可能性是存在的。燃煤带来的问题排放粉尘等气体

全球大气污染最严重的10个城市：

1，太原6，兰州

2，米兰

7，重庆

3，北京8，济南

4，乌鲁木齐9，石家庄

5，墨西哥城

10，德黑兰

北京烟雾日:1950年45天

1970年100天

1980年200天

1997年265天

2011年？燃煤带来的问题全球大气污染最严重的10个城市：燃煤带来的问题燃煤带来的问题排放SO2等酸雨气体酸雨区覆盖我国30%以上的国土面积燃煤带来的问题排放SO2等酸雨气体运输能力的巨大压力目前煤炭运输已经占铁路运力的50%以上超载运煤车成为公路的第一杀手本世纪初东部大型煤矿将逐渐枯竭煤炭生产向山西及陕西神木地区转移运输距离大大增加燃煤带来的问题运输能力的巨大压力目前燃煤带来的问题2010年8月,京藏公路连续堵车20天燃煤带来的问题2010年8月,京藏公路连续堵车20天燃煤带来的问题堵车催生了“堵车经济”

燃煤带来的问题堵车催生了“堵车经济”燃煤带来的问题考虑资源和环境等因素，我国必须大力推进核电发展，提高核电在新增电力中的比例，改善能源结构，这是确保我国能源安全的唯一现实的选择。动因：核能在我国能源安全中的地位考虑资源和环境等因素，我国必须大力推进核电发展，提高核电在新按照国家中长期发展规划到2020年，新增核电40GWe，在建18GWe核电装机容量的比例为4%

预计到2050年核电将达到240GW的规模核电装机容量的比例为20%动因：我国核能发展前景预测按照国家中长期发展规划动因：动因：我国核能发展前景预测

非化石能源所占的比重2010年 8.3%

2015年11.4%

《十二五计划》动因：非化石能源所占的比重动因核能发展前景预测

福岛事件对世界核能发展的影响宣布弃核的国家：德国：

德国政府执政三党5月29日夜经过长时间的讨论，决定德国所有核电站在2022年前全部关闭。这使德国成为首个宣布彻底放弃核电的主要经济大国。瑞士：

现有5座核电站将于2019年至2034年陆续达到最高使用年限。之后，瑞士将不再重建或更新核电站。这意味着2034年之前，瑞士最后一座核电站将关闭。

意大利：

两天的全民公投结果显示，由于民众的反对，政府将全面放弃核能，取消原定在国内新建核电站的计划。动因福岛事件对世界核能发展的动因核能发展前景预测

继续推进核能的国家美国：奥巴马政府在2012年的财政预算中计划批准360亿美元贷款担保用来兴建核电站。福岛核泄漏事故发生后，奥巴马表示，新核电站的建设仍将按计划进行。俄罗斯：不会修改本国的核能政策，继续推进新建10座核反应堆的计划。梅德韦杰夫："在日本福岛第一核电站事故发生后，俄罗斯将以更高的安全标准，推进核电站的新建计划。"动因继续推进核能的动因核能发展前景预测

继续推进核能的国家法国：法国执政党和主要在野党目前一致认为目前“走出核电”是不现实的。萨科齐表示：“为了保障能源的安全性，确保竞争力，同时也为了稳定电费，法国将继续使用核能发电。”英国：英国政府已经确定了8座新核电站的具体修建地点，并且表示这一决定是对福岛核泄事故“理性且恰当”的反应，是基于事实作出的。动因继续推进核能的

福岛事件对中国核电发展的影响大力发展核电的决心不会改变发展核电的节奏将重新调整会更加重视核电的安全核电站的标准、选址等方面将更加严格动因：我国核能发展前景预测“我们中国发展核能、发展核电的决心不能动摇，当然我们要吸取福岛事故的教训，作好安全检查，调整我们的规划。”“我国核电发展要符合我国的国情和需要，要把握好发展的节奏。”“注意核电发展节奏和速度不能超过我国设计制造能力。安全保障能力和人才队伍的状况。”

国务院副总理张德江，2011年４月１４日，原子能院福岛事件对中国核电发展的影响动因：“我们动因：我国核能可持续发展尚待解决的两大问题

铀资源的充分利用问题实现2050年核电240GWe装机容量的目标

需要258万吨天然铀资源!进口天然铀进行战略储备是应该的

但作为关系到国家安全的能源产业不可能建立在资源依赖进口的基础上。动因：我国核能可持续发展尚待解决的两大问题100万千瓦的压水堆电站每年卸出乏燃料约25吨次锕系核素MA和长寿命裂变产物LLFP寿命长、放射毒性大，对人类环境构成长期危害铀23.75t钚200kg中短寿命FP1tMA20kgLLFP30kg动因：我国核能可持续发展尚待解决的两大问题100万千瓦的压水堆电站次锕系核素MA和长寿命裂变产物LL

乏燃料中的长寿命核素核素半衰期，年剂量因子，Sv/Bq核素半衰期，年剂量因子，Sv/Bq235-U7.031084.610-8242m-Am1521.910-7238-U4.461094.410-8243-Am73802.010-7238-Pu87.74.910-8242-Cm163天1.310-8239-Pu241102.510-7243-Cm28.52.010-7240-Pu5502.510-7244-Cm18.11.610-7241-Pu14.44.710-999-Tc2.11057.810-10242-Pu3.71052.410-7129-I1.571071.110-7237-Np2.141061.110-7135-Cs2.31062.010-9241-Am432.62.010-7动因：我国核能可持续发展尚待解决的两大问题乏燃料中的长寿命核素核素半衰期，年剂量因子，Sv/Bq核

我国乏燃料累积存量预测2020年：6000～10000t2030年：20000～25000t

其中钚160～200t

次锕系核素（MAs）16-20t

长寿命裂变产物（LLFPs）24-30t

如何以妥善处理处置我国核电运行过程中产生的高放废物，实现核废物最少化，保证我国核能的可持续发展，是一个必须解决的重大问题动因：我国核能可持续发展尚待解决的两大问题我国乏燃料累积存量预测动因：我国核能可持续

“一次通过”循环方式是指乏燃料经过适当包装和储存之后，直接进行地质处置（美国，瑞典等）铀资源利用率低产生的废物量大

将乏燃料中大量有用的资源与少量的废物一起直接处置，大大增加废物处置的体积和放射毒性废物所需安全处置的时间长

在处置过程中衰变到低于天然铀矿的放射性水平，需要10万年以上。在如此长的时间尺度里，如何确保这些放射性核素与生物圈隔离，存在很大的不确定性“一次通过”方式资源浪费，对人类环境安全的长期威胁极大，不符合核能可持续发展战略动因：乏燃料管理一次通过循环“一次通过”循环方式是指乏燃料经过适当包装动因：

美国尤卡山地质处置场设计容量约7万吨积累乏燃料已达5万吨，每年新增2000吨“一次通过”循环方式的积极鼓吹者美国：近年来其核燃料循环政策发生了根本性逆转

计划到2030年新增345GWe核电

GNEP：恢复包括后处理和快堆在内的核燃料闭式循环方案使需要地质处置的高放废物体积降低50倍左右动因：乏燃料管理一次通过循环美国尤卡山地质处置场“一动因：乏燃料管理的P&T战略

闭式燃料循环方式：分离-嬗变战略动因：闭式燃料循环方式：分离-嬗变战分离－嬗变战略并不能消除地质储存的必要性，但使得地质储存在技术上更加容易、更加安全、更加经济

减少场址的有效剂量，降低地质储存场址要求从废料中去掉了大部分裂变材料，减少临界风险

带有燃料处理厂的嬗变单元，减少HLW运输数量将需要地质处置的放射性废物至少减量75%，减容75%动因：乏燃料管理的P&T战略

分离－嬗变战略并不能消除地质储存的必要性，但使得地质储存在技不同分离水平情况下的放射性毒性的降低因子

废物103年104年105年106年乏燃料（U＋Pu＋MAs+FPs）1111后处理分离U、Pu后的高放废物（MAs+FPs）1025204高放废物中分离MAs后（FPs）160175160130动因：乏燃料管理的P&T战略

不同分离水平情况下的放射性毒性的降低因子1E+001E+011E+021E+031E+041E+051E+061E+071E+081E+09101001000100001000001000000Time(years)Potentialradiotoxicity*(Sv/thm)只分离U和Pu不进行P&TP&T后天然U的毒性*asifincorporated,pertonnesofheavymetal动因：乏燃料管理的P&T战略

1E+001E+011E+021E+031E+041E+05

理想的嬗变装置：ADS闭式核燃料循环系统的关键环节动因：乏燃料管理的P&T战略

理想的嬗变装置：ADS动因：已解决待解决动因：解决两大问题的关键是建立核燃料的双层闭式循环实现以核燃料的增殖和分离-嬗变技术为核心的铀、钚、次錒系元素多次循环。下列内容是实现这一目标的关键：FBR的开发；ADS的开发；核燃料后端循环技术的开发已解决待解决动因：解决两大问题的关键是实现以核燃料的增殖和分

中能强流质子加速器

束功率为20-100MW

中子产生靶每个质子产生20-30个中子加速器驱动次临界系统示意图散裂反应次临界反应堆

keff<1原理和特点：ADS是理想的长寿命放射性废物的焚烧炉中能强流质子加速器中子产生靶加速器驱动核电厂燃料循环后处理1000MWt轻水堆

FP分离

质子加速器，1GeV/40mA中子靶

30n/p次临界堆：嬗变，增殖部分电力运行加速器

K，G

嬗变FP

MA多次循环ADS构成图原理和特点：ADS是理想的长寿命放射性废物的焚烧炉核电厂燃料循环后处理1000MWt轻水堆FP分离质子

系统的嬗变能力和增殖能力由两个因素决定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系统嬗变或增殖每个核所消耗的中子数目增殖：

ββn+238U→239U→239Np→239Puββn+232Th→233Th→233Pa→233U嬗变：

（n,),(n,f),(n,2n)原理和特点：ADS是理想的长寿命放射性废物的焚烧炉系统的嬗变能力和增殖能力由两个因素决定原理和特点：设临界堆(k=1)中子余额为Nc次临界堆中子余额为Nk则在简单的模型下可以导出

Nk=Nc+(1-k)/k

ADS有外中子源，其中子余额要多于临界堆，这一点对于核废料的嬗变和核燃料的增殖有利

余额中子转换核燃料嬗变核废料ADS的中子余额原理和特点：ADS是理想的长寿命放射性废物的焚烧炉设临界堆(k=1)中子余额为Nc余额中子转换核燃料嬗变核废

不同系统的中子余额数目系统类型和条件中子余额临界堆LWR，Φ=1014n/cm2s～0

超热堆，Φ=1016n/cm2s0．24

快堆，Φ=1015n/cm2s大于0.6ADSkeff=0.85,Φ=1015n/cm2s1.15keff=0.95,Φ=1015n/cm2s0.75keff=0.98,Φ=1015n/cm2s0.66原理和特点：ADS是理想的长寿命放射性废物的焚烧炉不同系统的中子余额数目系统类型和条件中子余额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

核素PWR谱ADS中子谱Np-237Pu-238Pu-239Pu-240Pu-241Pu-242Am-241Am-242-1.114-0.1830.603-0.3580.617-1.169-1.21.40.4821.2921.3240.8571.3210.3960.41.5U-235U-2380.430-0.1760.7240.482不同中子能谱锕系核素净中子产生率原理和特点：ADS是理想的长寿命放射性废物的焚烧炉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ADS系统的嬗变能力在已知的系统中是最强的支持比可达到12左右MAT1/2,a装载量，kg嬗变率，%嬗变量，kg支持比Np-2372.141067729.477316.5Am-2414323637.1125.812.4Am-24373801658.5614.114.9Cm-24328.50.4123.830.09841.6Cm-24585003.8520.00.7734.9

ADS系统300天满功率运行后锕系核素的嬗变量和支持比原理和特点：ADS是理想的长寿命放射性废物的焚烧炉ADS系统的嬗变能力在已知的系统中是最强的MAT1/2,ADS产生的中子谱更硬，中子平均能量达到500keV，因此在ADS嬗变MAs时中子经济性最好，且因裂变份额极高而几乎不产生新的更重的MAs。欧洲的TARC实验证明，采用绝热吸收的办法,在ADS的热区可以有效地嬗变LLFPs。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。原理和特点：ADS是理想的长寿命放射性废物的焚烧炉ADS产生的中子谱更硬，中子平均能量达到500keV，因此在

ADS与其他嬗变装置的比较

热堆嬗变

中子余额数目很低，因此嬗变能力较差

99Tc和129I:半嬗期40～80年

快堆嬗变

燃料中加入MAs后会使堆安全性下降

MA的量一般不能超过燃料总量的2.5%

此条件下快堆的嬗变支持比为2.5

部分核素通过中子俘获生成新的MAs

例：Am的嬗变量为116kg/Gwe·a

产生量为42～83kg/Gwe·a原理和特点：ADS是理想的长寿命放射性废物的焚烧炉ADS与其他ADS研发需要解决的关键科学技术问题ADS系统主要由强流质子加速器、高功率靶和次临界包层构成，其研发涉及核物理、加速器物理、反应堆物理与热工、放射化学等诸多学科

这是一个典型的为解决国家重大需求，集合多个学科领域的科学家联合攻关的项目

ADS的研发涉及核科学技术最前沿、最先进的技术领域，如几十毫安级的强流质子直线加速器物理和技术、铅或铅铋合金重金属冷却剂的技术及由此带来的特殊热工水力和材料问题，非均匀的深次临界度的反应堆物理和技术等等

在国际是研究的热点，在国内每一个问题都是新的ADS研发需要解决ADS系统主要由强流质子加速器、高功率靶

中能强流质子直线加速器拟解决的关键科学问题

●在物理基础方面：研究强流束加速与传输中的束晕形成的机理进行束流动力学分析和模拟以评价使束晕最小发展束流损失小的加速结构

目标是将束流损失控制在1W/m以内●在工程技术方面：RAMI问题提高加速器运行的可靠性和可使用率发展提高束流可靠性的技术

目的是将失束频率降低3到4个数量级

ADS研发需要解决的关键科学技术问题中能强流质子直线加速器拟解决的关键科学问题ADS研发需要

次临界反应堆拟解决的关键科学问题堆物理方面：由于外中子源的存在堆芯功率密度分布的不均匀问题需要解决功率展平的问题

元件和材料方面：

由于加速器失束带来热冲击问题由于燃耗加深带来的元件问题由于能谱更硬、中子通量更高带来的辐照损伤问题强辐照、高温、强腐蚀条件下的材料问题嬗变器件对堆芯性能的影响和特殊安全问题ADS研发需要解决的关键科学技术问题次临界反应堆拟解决的关键科学问题

高功率散裂靶和新型冷却剂拟解决的关键科学问题

特殊的热工水力和流致振动问题靶中放射性产物的积累和冷却问题特殊的材料相容性的问题：氧的含量问题

为了完成突破上述关键技术，建立一个到两个适当规模的LBE试验回路以增加LBE和LBE化学的经验和技术积累是必须的ADS研发需要解决的关键科学技术问题高功率散裂靶和新型冷却剂ADS研发需

其它方面拟解决的关键科学问题

适合深燃耗的后处理分离技术

目标是能有效从乏燃料中分离铀、钚、MA、Tc、I和TRU系统的核物理基础需要发展适合于ADS设计研究的ADS专用核数据库和多群常数库，能量应该至少扩展到300MeV，核素应该包括ADS的燃料、靶与结构材料、待在ADS中嬗变的材料ADS研发需要解决的关键科学技术问题其它方面拟解决的关键科学问题ADS研发需要解决国际研究现状国际原子能机构状况报告：

加速器驱动的系统:能量产生与核废料嬗变国际原子能机构核电技术发展科

核能面对的最大障碍是如何适当地处理反应堆中产生的高放废物。为了实现核能作为世界主要能源的全部潜力,必须有一个安全有效的方式去处理这种废物。近来已提出了用次临界堆和高能粒子加速器组成的混合系统嬗变长寿命废物的建议,这是一个创新性的概念。加速器驱动的系统(ADS)有着拓宽和振兴核电的吸引人的潜力。ADS致力于消除公众对核电的主要关注和担心。

ADS为核电系统提供了次临界运行的模式,从运行的观点看更加灵活。ADS减少了长寿命废物的负担,还可以嬗变现有的反应堆产生的废料。ADS为将钍资源用于产能开辟了一个有前景的途径。

国际原子能机构每年召开快堆与ADS技术工作组的年会国际上关于ADS的学术交流、研讨会及科技合作频繁

国际研究现状国际原子能机构状况报告：目前的国际态势已从概念研究进入物理过程、技术部件的研究及核能系统的概念性设计阶段，目标是在五至十年左右时间内建成小尺度的技术集成装置国际研究现状目前的国际态势已从概念研究进入国际研究现状Grenoble-CEA的MUSE计划:次临界系统的动力学实验和快零功率装置国际研究现状Grenoble-CEA的MUSE计划:次临界系统的动力学欧洲合作计划TRADE:ADS的动力学性质实验质子回旋(115-140MeV/0.5-1mA)+固体W靶+改造成次临界模式的TRIGA堆

(1MW)国际研究现状欧洲合作计划TRADE:ADS的动力学性质实验国际研究现状ProtonbeamlineSpallationloopTargetnozzleFastcoreMaincontainmentvessel质子回旋(350MeV/5mA)与100MW次临界装置耦合

比利时MYRRHA计划国际研究现状ProtonbeamlineSpallationloo欧洲合作计划MEGAPIE验证PSI现有的加速器(1.74mA,/575MeV)与液态Pb-Bi靶耦合的技术可行性

国际研究现状欧洲合作计划MEGAPIE国际研究现状1994-1999:ADS的概念及物理可行性研究

在CNNC和国家自然科学基金的支持下进行2000-2005:ADS的物理及技术基础研究

国家973项目,5年约3000万主要参加单位:

中国原子能科学研究院中科院高能物理研究所及北京大学等国内其他一些研究单位

国内研究状况和进展1994-1999:ADS的概念及物理可行性研究国ADS方案优化研究

以模块化快堆作为基本方案，开展嬗变核废料支持比及核燃料增殖比的优化研究；构建洁净核能系统方案及ADS实验系统的研/发路程表；开展ADS原理验证装置的物理设计预先研究ADS反应堆物理基础研究稳态外源驱动水堆零功率次临界实验及分析建立“启明星”实验装置并开展实验研究建成实验型ECR强流离子源；改进ECR强流离子源性能，开展提高可靠性、稳定性与寿命研究；研制低能强流束传输段，研究控制强流束发射度增长的方法。ADS核物理、材料学、核化学等基础研究完善及配套ADS专用核数据库及群常数；外源中子场特性研究；重离子辐照模拟材料辐照损伤的理论及实验研究；选定的材料间化学相容性的静态及动态实验研究以MOX元件为对象，开展新型化学过程的概念研究；通过实验筛选符合要求的熔盐体系低能强流加速段（RFQ）的研究及中能强流加速器物理建立低能强流束加速及传输的实验研究用注入器：进一步完善RFQ加速结构的物理设计、工艺研究及设备配套；建立高功率射频源系统。开展低β新型加速结构的物理设计及强流束粒子动力学研究强流ECR离子源及低能束传输段的研究973项目一期的课题设置

国内研究状况和进展ADS方案以模块化快堆作为基本方案，开展嬗变核废料支持比及

国际上第一个建立了快-热耦合的

ADS次临界实验平台原创性的设计思想：快-热耦合燃料低浓化

国内研究状况和进展国际上第一个建立了国内研究状况和进展

建成了强流RFQ加速器

国内研究状况和进展建成了强流RFQ加速器国内研究状况能量(MeV)流强(mA)工作比（％）状态美LEDA6.710010094-98（出束）中ADS3.550>6%00-05（建成）美SNS2.5386%97-02（出束）日J-parc3303%96-01（出束）韩KOMAC330<1%97-03（失败）意TRASCO53010098-法IPHI55010097-印ISNS4.52510001－

国际同类装置的比较继LANL的LEDA－RFQ之后所建造的功率最高的RFQ加速器

国内研究状况和进展能量(MeV)流强(mA)工作比（％）状态美LEDA6.71

在设计和研制工作中的一系列创新设计思想：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物理设计：打破通常的四分段的设计理念腔体制造：解决了高精密机械加工工艺和成形刀具试制腔体焊接：解决了腔体焊接后达到高真空，无形变、无焊料流淌到内腔壁的焊接工艺实验研究：提出RFQ场稳定性微扰问题的解决方案

发现二极模稳定杆作用机理相关新现象提出有效降低二极模场分量的新方法射频功率源改造：

既能工作于任意占空比的长脉冲方式又能工作于CW模式

国内研究状况和进展在设计和研制工作中的一系列创新

建成了强流ECR离子源主要性能指标：达到国外先进水平解决了二次电子回轰造成离子源寿命受限制的问题

国内研究状况和进展建成了强流ECR离子源主要性能指标：国内研究状况和美国法国原子能院束流mA145(100)157(120)100(67)束流密度（mA/cm2)245247340能量keV759575rms发射度mmmrad0.20.11~0.13质子比%>80>80>80可靠性168h106h120h与国外同类离子源性能比较

国内研究状况和进展美国法国原子能院束流mA145(100)157(120)1建立了ADS专用中子和质子微观数据评价库继美、日后国际上第三个中高能数据库评价数据与新的实验数据符合更好发射n、p、d、t、3He和α粒子的双微分截面的结果是国际上最好的在理论和方法学上的一系列创新

国内研究状况和进展建立了ADS专用中子和质子微观数据评价库国内研究状况

次临界堆物理基础研究国际首次解决实验测量的keff与理论值差别的问题国内首次将中子输运计算与燃耗计算耦合达到国际同类研究水平，针对放大系数，耦合系数等计算提出并建立了理论模型与计算方法

ADS方案优化的研究具有中国特色达到国际同类研究水平。

国内研究状况和进展次临界堆物理基础研究

材料学基础研究国际上首次开展了钨-钠相容性试验研究工作首次开展了国产材料的抗辐照、抗腐蚀性能试验研究国际上首次开展了辐照高剂量辐照重离子实验模拟国际上首次提供了重离子模拟中子辐照效应的实验依据

重金属冷却剂与材料的相容性实验重离子模拟中子辐照效应

国内研究状况和进展材料学基础研究重金属冷却剂与重离子模拟中子辐照效应

中子靶基础研究自主研制的靶物理计算程序达到国际同类程序的水平创造性地提出锥形靶构形设计以减少外源带来的不均匀性靶区流场优化设计中的部分思路属国际首创可视化靶区流场实拍照片

国内研究状况和进展中子靶基础研究可视化靶区流场国内研究状况

完成了进行ADS的实验验证、原型装置建设和工业示范前必需经历的相关物理和技术基础研究工作，为ADS的研发打下坚实的基础

ADS的研究工作，整体上达到国际水平，处于与国际同步的研究态势，在国际上的ADS领域已占有一席之地

国内研究状况和进展完成了进行ADS的实验验证、原型装置建设和工业示范正在进行的研究计划

嬗变核废料的加速器驱动次临界系统关键技术研究首席科学家：赵志祥申请经费：3700万起止时间：2007年7月至2012年7月主要承担单位：中国原子能科学研究院中科院高能物理研究所973项目第二期已经获得国家科技部批准进入实施阶段：正在进行的研究计划嬗变核废料的加速器驱动次临界系统973项研究队伍规模：80人全时工作时间：50人年/年主要承担单位单位名称承担的主要任务中国原子能科学研究院ADS系统相关的堆物理及核物理研究，系统优化研究，相关材料性能研究，强流离子束的产生及性能研究，分离技术研究。中科院高能物理研究所中能强流加速器物理及高能加速结构的研究，强流束在低能加速结构中的输运研究。北京大学重离子物理所强流束在低能加速器结构中的输运研究，靶物理研究。上海交通大学堆物理、热工水力南华大学核安全、堆物理清华大学核能院堆物理正在进行的研究计划

研究队伍规模：80人全时工作时间：50课题一：ADS物理热工技术基础研究

以最终具备ADS原理验证装置初步设计能力为目标，开展与ADS初步设计相关的关键技术研究

ADS原理验证装置初步设计

ADS相关热工水力学研究

质子束窗冷却剂流动与传热实验及数值模拟

LBE流动与传热研究

建立液态铅铋合金热工试验回路，开展液态铅铋合金的流动与传热实验，研究液态铅铋合金的流动阻力特性、传热特性等放射性废物核素嬗变的优化战略研究

ADS方案优化的深入研究次临界堆物理基础研究

次临界快堆的设计研究在实验快堆上开展快堆嬗变的实验研究正在进行的研究计划

课题一：ADS物理热工技术基础研究正在进行的研究计划

课题二：次临界中子学研究

利用建成的启明星1号次临界装置，开展次临界反应堆动力学行为的研究，有效增殖因子Keff实时测量和监督方法研究，相关核数据和中子学计算程序的宏观检验，适合次临界反应堆的能谱测量技术研究正在进行的研究计划

课题二：次临界中子学研究正在进行的研究计划

课题三：ADS专用数据库完善和检验

ADS专用数据库完善：

完善ADS专用微观核数据库及多群常数库完善靶物理理论及计算方法完善中高能核反应理论开展中高能核反应实验研究

ADS专用数据库检验

分析“启明星一号”和其它实验结果检验ADS专用核数据库和输运程序课题三：ADS专用数据库完善和检验

课题四：束流损失控制关键技术研究利用已建成的ECR离子源、RFQ强流注入段、LEBT低能传输段，改进束流品质、提高流强和可靠性

LEBT与RFQ联调出束，并提高RFQ的工作比提高离子源流强和可靠性：进一步减少打火中断进一步提高离子源寿命进一步提高离子源的束流聚焦脉冲束发射度研究束脉冲化新方法研究恶劣环境中计算机控制系统的可靠性研究正在进行的研究计划

课题四：束流损失控制关键技术研究正在进行的研究计划

课题五：ADS器—堆耦合部件研究

ADS材料辐照效应研究

材料辐射损伤和产生及演化的微观机理研究辐照引起微观结构变化导致的断裂韧性等宏观性质变化研究材料的位移损伤随辐照注量和温度变化研究气泡的产生及其随辐照剂量增加的演化过程研究

ADS结构材料与液态金属的相容性和腐蚀研究

不同氧含量下材料与Pb-Bi的相容性研究测定不同条件下的腐蚀类型和速率研究涂层和焊接等对Pb-Bi材料相容性的影响

Pb-Bi脆化研究低活化、抗辐照和抗腐蚀新型材料研究在辐照效应、相容性和腐蚀的微观和宏观系统研究的基础上，研制低活化、抗辐照和腐蚀的新型材料，并进行性能测试正在进行的研究计划

课题五：ADS器—堆耦合部件研究正在进行的研究计划

课题六：干法后处理预研完成干法后处理熔盐体系的筛选、电解方案的确定开展α密闭实验的验证工作正在进行的研究计划

课题六：干法后处理预研正在进行的研究计划突破ADS关键技术为建设ADS技术集成装置打好基础

掌握ADS原理验证装置初步设计的关键技术完成启明星1号上的次临界中子学实验研究完成ADS专用数据库的建设和检验提高RFQ加速器的束流工作比到15%以上在控制束流损失研究中取得创新研究成果正在进行的研究计划

突破ADS关键技术正在进行的研究计划在五年研究的基础上建设原理验证装置启明星二号下一步计划设想在五年研究的基础上下一步计划设想启明星二号的主要技术构成：驱动加速器150MeV，3mA强流质子直线加速器由电子回旋共振（ECR）离子源引出强流质子束，经低能束流匹配传输段（LEBT），注入到射频四极加速器（RFQ）进行低能加速，到3.5MeV，再由漂移管直线加速器（DTL）和分离漂移管直线加速器（SDTL）加速到150MeV优点：加速器可以升级，有可能跳过启明星三号缺点：投资规模大启明星二号的主要技术150MeV，3mA强流质子直线

5MW游泳池堆主要参数热功率：5MW入口温度：45C出口温度：48C冷却剂流量：1200t/h流速：3.5m/s堆内热中子通量：~71013n/cm2s

堆芯次临界度Keff0.95—0.98可以次临界运行，也可以临界运行启明星二号的主要技术构成：次临界堆5MW游泳池堆主要参数启明星二号的主要技术~2017ADSTestingSetupReactor：~4MWAccelerator：40MeV/10mAH+SrcSCCavityRFQ~2022ADSExp.FacilityReactor：80~100MWAccelerator：~600MeV/10mA~2032ADSDemoFacilityReactor：~1000MWAccelerator：~1.5GeV/10mA中科院的设想中科院“创新2020”方案基于钍的熔盐堆ADS预研装置的建设~2017H+SrcSCRFQ~2022~2032中科院下一步计划立项进展中国科学院和中国原子能科学研究院申请的ＡＤＳ实验装置项目经过三轮评审，进入国家重大基础设施建设十二五重点建设计划主要建设强流质子直线加速器、高功率中子散裂靶及液态金属冷却反应堆三大子系统和加速器驱动次临界反应堆系统总技术集成。经运行调试，达到质子束流能量（１５０－２００）ＭｅＶ、流强１０ｍＡ，反应堆热功率１０ＭＷ（临界设计，可次临界运行）的设计指标。力争成为世界首个ＡＤＳ实验装置，满足我国长寿命高放核废料安全、妥善处理处置的技术要求，保证我国核能可持续发展。下一步计划立项进展中国科学院和中国原子能科学研究院申请的ＡＤ结束语

裂变能可持续发展的一个重要的限制性因素是如何解决核废物的最少化问题，分离-嬗变战略可以解决这一问题。

ADS系统是一种比较理想的嬗变装置由于ADS技术发展的不确定性，为了减少决策的风险，在单项关键技术突破的基础上，进行小尺度的技术集成是非常必要的

结束语裂变能可持续发展的一个重要的限制性因素是如何解决核废ADS系统研发涉及核物理、加速器物理、反应堆物理与热工、放射化学与核化学等诸多学科

ADS的研发涉及核科学技术最前沿的技术领域

ADS的研发涉及基础研究到工业应用的所有环节开展ADS研发,必须大力进行国内各优势单位的合作

结束语ADS系统研发涉及核物理、加速器物理、反应堆物理与热工、

目前国际ADS研究处于从基础研究向小规模系统集成过渡的阶段，由于尚未涉及太多的商业秘密，正是开展国际合作的最佳时机应该抓住有利时机，将ADS研发列入国际合作计划，大力鼓励和全方位地参与国际合作，加快对ADS关键技术的掌握。结束语目前国际ADS研究处于从基础研究向小规模系统集成过渡的阶段清华大学

2011年7月14日

核废物处置战略和加速器驱动次临界嬗变系统(ADS)研究展望

赵志祥

中国原子能科学研究院

清华大学

2011年7月14日核废物处置战略和动因：确保能源的稳定供应是可持续发展战略的重要环节我国能源安全面临的两大挑战

能源需求与资源不足之间的矛盾能源结构不合理

动因：确保能源的稳定供应是可持续发展战略的重要环节我国能源安人均能源消费量与人均GDP的相关性:

人均GDP达到1万美圆人均能源消费量为4吨标煤●到2020年

能源需求量：25-33亿吨标煤电力发展预测：860-950GWe●到2050年能源需求量约为50亿吨标煤

未来能源需求预测引自:国家发改委能源所分析报告能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾人均能源消费量与人均GDP的相关性:未来能源需求预测能源安全●目前世界能源总消耗量：

134亿吨标煤●2002年我国一次能源产量：

13.87亿吨标煤(世界第二)●2002年我国一次能源消费量：

14.8亿吨标煤(世界第二)●2002年我国发电装机容量：

357GW(世界第二)能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾

引自:国家中长期科技发展规划战略研究报告●目前世界能源总消耗量：能源安全面临的两大挑战：引自:国家

我国人均值与美国与世界人均值比较平均值比较石油2.6t1/51/9天然气1074m31/161/23煤炭90t1/101/2能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾我国人均值与美国与世界●煤炭:

探明储量:10018.7亿吨可开采量:1600亿吨

90%集中在秦岭、大别山地区

能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾化石资源是非常有限的，在化石能源的开采使用方面不能再竭泽而渔！●煤炭:能源安全面临的两大挑战：化石资源是非常有限的，在●石油:

总资源量:940亿吨可开采量:56亿吨,

最高年产量:3亿吨到2020年需求量:4.5-6亿吨●天然气:

总资源量:38Tm3

可开采量:1.5Tm3

最高年产量:0.1Tm3

到2020年需求量:0.16-0.2Tm3能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾不可能大量用于发电●石油:能源安全面临的两大挑战：不可依赖进口石油、天然气的能源安全问题油、气产地局势动荡中东地区的石油供应受美国操控漫长的海上输油线路难有安全保障引发与日韩等石油进口国的激烈竞争能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾依赖进口石油、天然气的能源安全问题能源安全面临的两大挑战：●水能:

理论蕴藏量:767GW,

技术可开发:379GW

68%集中在西南地区极限装机容量:240～260GW

能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾

三峡水电站●水能:能源安全面临的两大挑战：三峡能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾塔克拉玛干大沙漠中的2MW太阳能电站●太阳能：能量密度低，稳定性差，成本高10亿吨标煤的能量：占地～10万km2，～20亿吨钢铁水泥

容量因子≤15%，光伏电池组件4000美元/kW能源安全面临的两大挑战：塔克拉玛干大沙漠中的2MW太阳能电站

●风能：最古老的能源之一能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾总储量16亿千瓦可经济开发100万千瓦能量密度低

1GW电厂占地：∽100km2供能的间歇性容量因子≤30%

能源安全面临的两大挑战：总储量16亿千瓦内蒙古磴口县风力发电站能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾内蒙古磴口县风力发电站能源安全面临的两大挑战：能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾森林的生态价值是木材的经济价值的十倍我国森林过度砍伐，造成的土地沙漠化和水土流失严重

大兴安岭亮资源红灯，16年后将无木可采●生物质能（薪碳）再生速度远远不能满足需要能源安全面临的两大挑战：森林的生态价值是木材的经济价值的十倍

其它可再生能源：潮汐发电：可经济开发1000万千瓦

1985年建成浙江江厦电站,0.32万千瓦地热发电：到88年地热利用折合38万千瓦海洋能(温差发电,波浪发电等):

理论储量4.6亿千瓦,开发难度极大

从资源的层面看,可以大规模替代化石能源的只有核能

能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾其它可再生能源：能源安全面临的两大挑战：

世界中国

化石

85%93%

石油39%17%

煤炭24%74%

天然气22%2%

水力6.9%5%

核能6.3%1%

其它

2.5%0.6%能源安全面临的两大挑战：能源结构不合理

燃煤在能源结构中占支配地位世CO2排放总量CO2排放量人均年用电量

单位电量CO2排放量等效煤耗核电装机总装机比人均核电装机人均核电装机比CO2排放量

国家百万吨吨kWhkg/kWhkg/kWh%kWhkWe/吨美国5228.3219.88110601.80.7621.980.3760.0187中国3006.772.517603.31.41.490.00180.0007俄国1546.8910.4458601.37

11.390.1340.0128日本1150.949.1767001.81

30.70.310.0338德国884.4110.8360001.84

29.330.2770.0256英国564.849.6452501.84

25.790.20.0207加拿大470.815.9180200.88

19,070.5320.0334法国362.026.2378100.80.3475.291.0070.1616韩国352.17.8735202.440.9535.480.1830.0233能源安全面临的两大挑战：能源结构不合理CO2CO2人均年单位电量CO2排放量等效核电装机人均人均中国原子能科学研究院

温室气体问题

年份

CO2排放量，亿吨

1972160199021619962302000250中国原子能科学研究院

中国原子能科学研究院

各类电厂的投资费用与建设周期1000-1300

核电

1500~2000

15~2014~6

1020304050世界人口，亿0500100015002000250300350400大气层二氧化碳浓度ppm年代工业革命以来CO2浓度：自260ppm上升至爱280ppm100年内：地球大气温度上升0.3–0.60C海平面上升10–25cm燃煤带来的问题：排放大量温室气体中国原子能科学研究院

中国原子能科学研究院

中国原子能科学研

CO2排放总量人均年用电量（百万吨）（kWh）美国5228.3211060中国3006.77760俄国1546.895860日本1150.946700德国884.416000英国564.845250加拿大470.818020法国362.027810韩国352.13520燃煤带来的问题CO2排放总量燃煤带来的问题排放粉尘等气体

气象条件不好的情况下，发生象“伦敦杀人雾事件”那样的重大环境污染事故的可能性是存在的。燃煤带来的问题排放粉尘等气体

全球大气污染最严重的10个城市：