|
中国科学院ADS专项铅铋冷却反应堆项目简介
一、项目背景
为了应对能源短缺和环境污染等问题，人类需要新的清洁能源。核能是目前公认现实可行的可大规模替代化石燃料的清洁能源。根据我国目前核电中长期发展规划，到2020年核电总装机容量预计将达到5800万千瓦或更高。如果2050年中国核电规模达到世界目前的平均水平，中国将新建超过200座百万千瓦级核反应堆。从核电技术发展的成熟度和经济竞争力综合评估，2050年前核电仍将以核裂变能为主。然而，人们在利用核裂变能的同时不得不面临核废料的处置等难题。随着我国核电装机容量的不断增长，核废料的累积量将快速增加，预计到2020年我国核废料累积量将超过1万吨。一座百万千瓦裂变电站每年产生的核废料如果用水稀释到可以安全排放的水平，大约需要长江100年的总水流量。而且，核废料中的高放次锕系元素和长寿命裂变产物的毒性大、放射性强，部分核素半衰期长达上百万年，若不进行安全处置，将对人类始终存在潜在的放射性威胁。加速器驱动次临界系统（ADS：Accelerator Driven subcritical System）目前被认为是一种较为理想的核废料嬗变处理装置，被国际原子能机构（IAEA）称之为“新出现的核废料嬗变及能量产生的核能系统”。
二、原理与发展现状
ADS由强流质子加速器、散裂靶和次临界反应堆构成。加速器产生的质子束流轰击重金属散裂靶（如液态铅或铅合金等），引起散裂反应，为次临界堆提供外源中子以驱动反应堆内的核反应，从而实现核废料嬗变等功能。如一个能量为1GeV的质子轰击重金属靶，产生30~50个散裂中子，诱发次临界堆中核废料嬗变，将长寿命高放射性核废料转变为低毒性短寿命核素或稳定核素，降低放射性潜在危险。
从上世纪80年代开始，ADS逐渐成为国际研究热点。欧盟、美国、俄罗斯和日本等均开展了ADS反应堆的概念设计和实验研究，并将ADS研究列入国家中长期发展规划。如美国的ATW、欧盟的CDT（基于MYRRHA/XT-ADS计划）、日本的OMEGA、韩国的HYPER计划等。从技术发展路线上看，铅合金由于具有良好的中子学和安全特性，成为国际ADS反应堆冷却剂及散裂靶首选材料。
三、发展规划
中国科学院作为国家的基础性、前瞻性和战略性科研机构，设立了战略性先导科技专项“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”，将致力于自主发展 ADS 系统从试验装置到示范装置的全部核心技术和系统集成技术为保障国家能源供给和核裂变能长期可持续发展做出贡献。ADS专项计划通过三个阶段实施，分别开展ADS研究装置（总投入经费预计达到50亿元以上）、ADS实验装置和ADS示范装置的建造与实验研究，到2030年后建成ADS嬗变系统，掌握核废料嬗变处理的关键技术。在ADS反应堆方面，中国科学院选择铅合金冷却反应堆作为发展方向。
FDS团队（http://www.，以中国科学院核能安全技术研究所为依托、与国内外多家科研机构密切合作建立的多学科交叉先进核能研究团队）承担了ADS专项铅铋冷却反应堆CLEAR（China LEad Alloy cooled Reactor）项目的研究工作。第I阶段研究目标，在2020年前完成中国铅基研究堆CLEAR-I（热功率10MW）的设计与建造，主要研究内容包括铅铋冷却反应堆的设计及安全分析、关键设备设计与研制、专用软件和数据库的开发、液态铅铋合金综合实验平台的设计、建造与运行技术。第II阶段，到本世纪20年代建成中国铅基实验堆CLEAR-II（热功率~100MW）。第III阶段，到2030年后建成中国铅基示范堆CLEAR-III（热功率~1000MW）。
四、技术特点
CLEAR采用的液态铅合金冷却剂对于中子的吸收和慢化能力弱，反应堆具有更好的中子经济性，使得反应堆系统具有更高的核废料嬗变和核燃料增殖能力。铅合金沸点高，反应堆可以在低压运行时获得高冷却剂出口温度，避免了高压系统带来的冷却剂丧失事故的发生，同时可以实现高热电转换效率，反应堆具有更好的安全性和经济性。铅合金的化学稳定性高，与空气和水反应若，避免了起火或爆炸的安全问题。同时，铅合金的载热和自然循环能力强，可以依靠自然循环排出堆芯余热，大大提高了反应堆的非能动安全性。
CLEAR-I具有临界和加速器驱动次临界双模式运行能力，可在同一个装置上开展第四代铅冷快堆和ADS系统耦合技术研究。设计过程中充分考虑到研究堆对技术现实可行性及实验升级灵活性的要求，采用成熟的材料、核燃料和相关技术，同时设计了覆盖全堆芯的遥操换料系统，使反应堆具有开展不同燃料和堆芯方案的实验能力。
CLEAR是由外源中子驱动的次临界嬗变反应堆，次临界度较深，发生超临界事故的风险低，具有固有安全性。CLEAR的事故余热排出系统采用非能动设计方案，确保反应堆在完全失去电源动力的条件下利用自然对流方式排出堆芯余热，使反应堆处于安全状态。
CLEAR研究工作是一项多学科交叉的复杂系统工程，具体研究领域涉及到中子物理学、热工水力学、结构力学、核燃料与材料、放射化学、测量与控制技术、计算机与仿真技术、安全与环境保护、许可证技术和其他多学科交叉技术。
五、社会价值
一座1000MW热功率的ADS每年可以处理大约10座百万千瓦级压水堆一年卸出的高放核废料，同时还能产生电能供自身使用和输出给电网。
铅合金冷却反应堆在安全性、可靠性和经济性方面具有显著优势，是第四代核能系统堆型之一，也是小型模块化反应堆、船用反应堆和空间反应堆的主要堆型之一。中国科学院ADS专项铅铋冷却反应堆项目的相关研究成果可同时应用于以上各类先进核能系统，具有广阔的应用前景。
http://www./newsshows.asp?newsid=983
  |
