加速器驱动次临界系统(ADS)与核能可持续发展

赵志祥，夏海鸿

（中国原子能科学研究院，北京275信箱1分箱，北京　102413）

加速器驱动次临界系统(ADS)与核能可持续发展

赵志祥，夏海鸿

（中国原子能科学研究院，北京275信箱1分箱，北京102413）

摘要：描述了ADS系统的主要技术特点和在我国核能可持续发展战略中的作用及地位；介绍了国内外ADS研究的状态和发展趋势；提出了ADS研发必须解决的关键技术问题及解决这些问题的时间表；分析了ADS研发与国内核能相关发展计划的关系；并就我国开展ADS的研发提出了一些建议。

关键词：核能；ADS；嬗变

1　ADS在我国核能可持续发展战略中的作用及地位

1.1核废物最少化是核能可持续发展必须解决的关键问题之一

核废物问题是核能可持续发展的制约因素之一，尤其是乏燃料和高放废物（乏燃料后处理产生的高放废液及其固化体）的管理，长期以来一直是社会和公众极其关注的焦点。

一座100万kW的压水堆（PWR）核电站，每年卸出乏燃料约25 t；其中含有可循环利用的铀约23.75 t， 钚约200 kg， 中短寿命的裂变产物（FPs)约1 000 kg；还有次锕系核素（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，对人类环境构成长期危害。

如何实现废物最少化，即最大限度地减少核电站运行产生的高放废物的体积及其放射毒性，并将高放废物安全处置，使之可靠地与生物圈长期隔离，确保子孙后代的环境安全，是关系到核能可持续发展和影响公众对核能接受度的关键问题之一，也是一个重大的世界性难题。

根据2020年我国核电运行装机容量4 000万kW和在建装机容量1 800万kW的发展目标，预计到2020年乏燃料累积存量将达到6 000～10 000 t。如果2030年的核电装机容量达到8 000万～1亿kW，则届时乏燃料累积存量将达到20 000～25 000 t，其中所含钚为160～200 t，次锕系核素（MAs）为16～20 t，长寿命裂变产物（LLFPs）为24～30 t。

面对我国核电运行将产生的日益增多的乏燃料，如何以核废物最少化原则为指导，妥善处理、处置核电运行过程中产生的高放废物，以保证我国核能的可持续发展，将是一个必须解决的重大问题。

1.2分离-嬗变（P&T）战略

国际上对乏燃料的管理有两条技术路线或两种循环方式，即“一次通过”循环方式和“闭式燃料”循环方式。

“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。“一次通过”循环是较为简单的核燃料循环方式，存在问题有：铀资源利用率低（＜1%），产生的废物量大，废物所需安全处置的时间长。

“闭式燃料”循环方式指乏燃料经过后处理分离，将回收的铀和钚返回到反应堆中循环使用。分离-嬗变战略是20世纪90年代以来国际上开发的先进的闭式燃料循环的发展，它是在回收利用铀和钚的基础上，进一步将次锕系元素（如镎、镅、锔等）和长寿命裂变产物（如锝、碘等）分离出来，在嬗变装置中进行嬗变。

先进核燃料循环战略的实施，将在充分利用铀资源的同时，实现核废物体积和毒性的最少化，从而保证核能的可持续发展。

值得注意的是，美国作为多年来“一次通过”循环方式的积极倡导者，近年来其核燃料循环政策发生了根本性逆转。从其自身的核能发展战略需要，美国布什政府于2006年2月提出了“全球核能合作伙伴”（Global Nuclear Energy Partnership， GNEP）倡议。该倡议否定了当年卡特政府的核燃料“一次通过”的核能政策，恢复包括后处理和快堆在内的核燃料闭式循环方案。

1.3ADS是理想的长寿命放射性废物焚烧炉

ADS由中能强流质子加速器、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）。ADS的基本原理如下：由加速器产生的质子束流轰击设在次临界堆中的重金属靶件（如液态Pb或Pb-Bi合金），引起散裂反应，再通过核内级联和核外级联产生中子，一个能量为1 GeV的质子在厚靶上约产生30个中子，散裂中子靶为次临界堆提供外源中子。

一个系统的嬗变能力和增殖能力主要由两个因素所决定：一是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；二是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。研究表明，ADS的嬗变支持比可达到12左右。

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。计算表明，在ADS能谱下，几乎所有的锕系核素的净中子产生率均为正值。

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。

1.4ADS研发对其他技术的带动作用

ADS系统可提供具有灵活时间脉冲化特性的和新的运行模式的强中子源，成为中子科学研究的重要平台。这一平台将为聚变堆材料研究提供机会，也将在中子散射技术发展、同位素生产、中子活化分析、中子照相、辐照治疗等方面发挥作用。

ADS系统的开发将在先进加速器技术、先进的冷却剂技术、高功率靶技术、次临界反应堆技术等领域进行技术积累。

ADS为钍资源的利用开辟了一个有前景的途径。

串列加速器装置

2　国际研究状态和国内研究工作的进展

2.1国际研究状态

自20世纪90年代初以来，ADS开始成为国际核科技研究的热点。国际核科技界认为ADS是一个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，称为“新出现的核废物嬗变及能量产生的核能系统”，目前已把它纳入国际原子能机构的快堆与ADS技术工作组的年会内容。国际上关于ADS的学术交流、研讨会及科技合作日益活跃与频繁。目前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集成的概念研究。

（1）欧盟

欧盟把ADS作为核废料处理和处置的主要课题，在由7个国家16位科学家组成的以诺贝尔奖获得者Rubbia为首的顾问组领导下，制订了研究开发计划框架。按2000年统计，投入人力约400人/年。研究范围涉及强流加速器技术、中高能核数据、中子学设计程序研究、热工水力设计程序研究、散裂靶物理，以及工业规模验证装置设计等。

在欧盟框架计划的指导下，各国也有相应的国家研究计划，按照法国1991年法律文本中关于核废物管理的内容，研究单位（CEA、CNRS）和工业部门（FRAMATOME、EDF）都参与ADS的研究与发展。在基础性研究方面涵盖ADS各个方面。在外源驱动次临界堆物理方面，利用发展钠冷快中子电站建造的大型零功率装置MASURCA与GENEPI中子发生器结合，实施了MUSE计划，与意大利、日本等国合作，开展大量的各种可供选择的冷却剂（Na、Pb、He）的模拟实验。工业部门也参与核废料嬗变相关燃料循环的研究，致力于ADS工业规模实验装置设计研究。

MYRRHA为多用途小尺寸ADS装置的英文缩写，由比利时提出，计划将用它来替代现有的研究堆BR-2，用于材料和燃料元件研究、同位素生产以及用于嬗变和生物应用研究。MYRRHA计划的核心是由加速器驱动的铅-铋冷却的快中子次临界系统。MYRRHA计划开始是多边合作项目，后来演变为欧洲共同体第六框架（European Commission Sixth Framework Program)的研究项目。2005年提交了MYRRHA计划的初步设计文件。

欧盟各国ADS研究开发工作的特点是充分利用现有的核设施，共同合作开展实验研究，其中比较突出的是利用法国的大型快中子零功率实验装置开展ADS中子学研究的MUSE计划、利用瑞士PSI的强流质子加速器开展MW级液态Pb-Bi冷却的散裂靶研究的MEGAPIE（1 MEGAWATT Spallation Target Pilot Experiment）计划，利用法国凤凰快中子反应堆开展含MA或LLFP的燃料元件在中子辐照条件下行为研究等。

（2）俄罗斯

俄罗斯ADS开发工作是从20世纪90年代ITEP同美国LANL的合作开始的。1998年俄联邦原子能工业部决定启动ADS开发计划。以理论实验物理研究所（ITEP）和物理与动力工程研究所（IPPE）为代表，有10多个单位参加的工作组，拟订研究计划，在ISTC的支持下，协同开展工作。工作内容涉及：ADS相关核参数的实验研究，理论研究与计算机软件开发，ADS实验模拟试验装置的优化设计，1 GeV、30 mA质子直线加速器的发展，先进核燃料循环的理论与实验研究等。俄罗斯比较重视ADS系统的新概念研究，典型的有：快-热耦合固体燃料ADS次临界装置概念设计，快-热熔盐次临界装置概念设计等。

（3）美国

在能源部领导下，美国于1999年制订了加速器嬗变核废料工艺的路线图，称ATW计划。由于美国早先致力于加速器生产氚的APT计划，在强流质子加速器方面有较多的技术储备，有利于ATW计划的实施。次临界堆芯研究设计过多种热中子和快中子系统方案，最后选中快中子次临界堆芯，从2001财政年度开始，正式实施先进加速器技术应用的AAA计划。在AAA计划内全面开展ADS相关的研究工作，并计划在2010年左右建成一座加速器驱动的实验装置ADTF，用于证实ADS安全性、加速器与散裂靶及次临界增殖系统之间耦合的有效性、嬗变性能和可运行性。现在，ADS研究是美国先进核燃料循环系统AFCI的有机组成部分。

美国与俄罗斯合作已建成了实用规模的Pb-Bi液态合金回路，并在结构材料腐蚀控制问题上取得进展，同时还开展了工业规模的ADS工程概念设计，公开发表钠冷、Pb-Bi冷和气冷3个设计研究。

（4）日本

日本从1988年10月就启动了最终处置核废料的长期研究与发展计划，称为OMEGA计划，由3个主要的核能科学工程研究设计单位为主负责实施。它们是日本原子能研究所（JAERI）、日本燃料循环发展研究所（JNC前身称为PNC）和中央电力工业研究所（CRIEPI）。日本除广泛开展ADS相关的基础研究外，主要以工程概念设计研究带动相关的以工程实现为目标的技术开发研究。在研究比较了临界焚烧炉ABR和ADS的性能之后，认为ADS是MA嬗变的最佳选择，所以OMEGA后期的研究工作集中在ADS的开发研究上，先后完成了钠冷却固体钨靶和Pb-Bi冷却液体靶两个工业规模级、820 MW热功率的概念设计。

日本还同时开展了具有工业规模的散裂靶和次临界堆融为一体的熔盐ADS概念设计研究。围绕这些工业概念设计还开展了分离流程、燃料加工和后处理、Pb-Bi工艺和专用核数据库及计算程序研究开发工作。

最近，日本开始实施中子科学计划J-PARC，由日本原子能所和高能所（JAERIKEK）联合建造强流质子加速器，用以驱动全尺寸的ADS系统，使用Pb-Bi液态合金靶，分三个阶段实施。第一阶段束功率200 kW，次临界堆芯用20%235U氧化物为燃料，裂变功率可达50 kW，用强迫空气冷却。第二阶段束功率提高到2 MW，次临界堆芯功率拟提高到500 kW，用自然循环Pb-Bi液态合金冷却。第三阶段以实证ADS工艺安全和嬗变性能为目的，束功率拟提高到50 MW，次临界第一个堆芯仍用20%235U的氧化物燃料，第二个堆芯拟用专用于工业实用ADS系统的氮化物燃料。

2.2国内研究现状和主要进展

我国在1996—1999年间在中国核工业集团公司和国家自然科学基金会的支持下开展了ADS研究概念研究和物理可行性研究。1999年在科技部的国家重点基础研究发展规划项目（“973计划”）中立项，开展为期5年的“ADS物理和技术基础研究”，由中国原子能科学研究院和中国科学院高能物理研究所共同承担。

与先进核能国家比较，我国的ADS研究起步较晚，投入较少，研究资源缺少。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，保持了与国际同步的研究态势。

国内研究工作的主要进展包括：建立了快-热耦合的ADS次临界实验平台——“启明星”1号；建成了输出能量为3.5 MeV、输出脉冲流强为43 mA的强流质子RFQ加速器；建成了输出能量为75 keV、输出流强大于65 mA的强流ECR离子源；建立和配套了ADS中子学研究专用计算机软件系统并开展了ADS工程概念优化方案计算；建成了ADS专用中子和质子微观数据评价库；创造性地进行了专用材料的辐照效应研究及其与液态金属冷却剂（钠和Pb-Bi合金）的相容性研究；在核废料核素的中子学价值、ADS特有的辐射防护问题、ADS系统的热工水力问题等方面，也开展了一系列的探索性的研究，取得了积极成果。

总的来说，国内研究处于基础研究向小规模系统集成过渡阶段。

3　ADS发展必须解决的技术关键问题

3.1确定系统主要的技术选择

3.1.1系统大小和布局

一方面，用一个大功率加速器驱动一个或几个嬗变装置要比用几个产生同样束功率的小加速器驱动一个嬗变装置花钱少；另一方面，由几个小加速器来驱动一个嬗变装置可以提高系统的可靠性和可使用率。要将造价、运行费用这些因素与可靠性、可使用率、可运行性等因素进行平衡。

物业管理公司总部要明确的制定好成本管理的工作，把权利交给总部来集中控制，将所属部门统一起来，形成一套流畅的管理体系，部门之间多沟通、多交流，让资源能够得到共享。物业管理公司对一些常用物品的采购是相当频繁的，总部可以统一控制起来，进行规模批发采购，通过大量的集中采购来节约所需成本，相关部门需要用的时候提前写申请，总部统一进行分配，这样还能够减少不必要的浪费。物业管理公司在物料的配送上占很大一部分成本，这样不仅能够给下设部门及时提供所需还节约了运输费，对公司的长远发展来说有更大的意义。在人员成本方面，公司总部应该统一负责工作人员的招聘和分配，根据人员的才能进行工作安排并降低人员流动成本。

带有燃料处理厂的ADS单元可以满足减少高放废料运输的要求。先进的液体金属堆（ALMR）研究更倾向于模块式的、中等大小的、工厂安装好的、铁路可运输的反应堆。需要对ADS系统的大小和布局进行最佳化，应考虑技术风险和每一构成大小的费用，各构成的最佳合成。

3.1.2加速器选型

目前，国际上主流的态势是选用直线型加速器作为驱动加速器，这是达到20～100 MW级束功率的唯一可能的选择。但如果采用几个小加速器驱动嬗变装置的方案，圆形加速器也是可能的选择。同样应该将造价、运行费用、系统的可靠性和可使用率、可运行性、技术风险等因素进行平衡。

3.1.3次临界系统主要参数的选择

需要确定燃料类型，固体的形式还是液体的形式。

通过提高系统的运行温度可以提高热力学效率，减少结构材料的机械阻抗。但高的温度对材料的相容性提出挑战。要研究确定最佳反应堆运行条件，平衡售电收入的增加和风险的增加及达到较高温度所要求的R&D费用的增加。

需要从安全性和经济性的角度确定最佳的次临界度。

3.1.4靶和冷却剂材料的选择

几个兆瓦功率级的散裂靶其导热是最大的问题，液态金属靶应该是唯一的技术选择。LBE和铅与钠相比具有中子产额高、安全性好等明显的优点。PSI的MAGAPIE计划已经取得了明显的进展。

采用LBE、铅、钠和氦气体做冷却剂都可以获得快中子能谱。目前大多数国际研究计划倾向于液体金属冷却的次临界装置。技术选择应该在LBE冷却和钠冷间进行。两种方式各有优缺点，但做最后的决定研究还不充分，研究应针对两种选择的安全性、费用等方面。

3.1.5燃料元件和待嬗变的HLW元件的形式

燃料嬗变的份额和燃料的成分将会影响包括中子学、燃耗行为、安全和高温化学等方面的特性。元件中装载较高的TRU和裂变产物将减少化学过程的复杂性，但会损失在辐照性质和中子学特性方面的特性。较低的循环嬗变将减少嬗变的振荡和相关的控制上的要求，但要求更多的燃料再循环步骤。需研究确定一次通过装置是否可行或是否需要再循环的步骤。

3.1.6后处理工艺流程

采用水法和干法处理乏燃料各有优缺点。应该评估每种方法的费用和技术风险。

以上ADS系统的主要技术选择应该在掌握单元关键技术的基础上及早作出。

3.2强流加速器关键技术

10～100 MW量级束功率的强流中能加速器在物理基础方面的难点在于解决强流束加速与传输中的束晕形成和束流损失问题，在工程技术方面的难点是提高加速器运行的可靠性和可使用率。

需要发展减少束流损失的技术，目标是将束流损失控制在1 W/m以内，以降低辐射防护的要求，提高系统的可维护性。需要进行束流动力学分析和模拟以评价光学匹配的要求，使束晕最小。需要发展束流损失小的加速结构。

需要发展提高束流可靠性的技术，目的是将失束频率比现在运行的大多数加速器降低3～4个数量级，减少加速器的失束对元件的热冲击。通过分析、发展硬件和考验来解决束流可靠性的问题，要评估设备和子系统失效的原因，如何防止失效及恢复，系统设计要提供余度。

核临界安全实验装置

3.3高功率散裂靶和冷却剂关键技术

如前所述，液态铅铋合金（LBE）或液态的铅是几个兆瓦级束功率下的散裂靶的比较可能的选择。R&D工作应该主要围绕LBE或液铅进行。

需要解决的关键问题包括：辐照性能、机械性能、导热性能、抗腐蚀性能好的靶窗和靶结构材料的评价和选择；LBE或液铅的热工水力特性研究；流致振动问题研究等。

钠冷却剂技术经过几十年的发展已经比较成熟，没有明显的化学问题和材料相容性问题要在R&D阶段解决。

需要研究掌握LBE冷却剂的关键技术，包括研究化学控制技术的LBE回路的设计和运行，材料相容性研究和热传导及流动性质的研究。LBE化学的研究：控制LBE中氧的含量，解决600 ℃高温下材料是否与LBE相容的问题。

为了完成突破上述关键技术，建立1～2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需的。

由于俄罗斯有将LBE用于核潜艇动力堆冷却剂的经验，由于PSI的MAGAPIE计划在LBE研究方面已经取得重要的进展，加强国际合作对于加快掌握LBE技术是有利的。

高通量工程试验反应堆

3.4次临界反应堆关键技术

次临界反应堆中子通量和功率水平与同型临界堆相当，因此发展次临界反应堆没有不可超越的技术障碍， 技术难点集中于：

（1）由于能谱相当硬的点状或线状外中子源的存在，堆芯功率密度分布的严重不均匀问题，其将导致组件热功率和中子注量率径向和轴向峰因子的变化。如果元件的设计和冷却方面增加裕度，将会增加建造和运行的成本。需要解决功率展平的问题。

（2）包层倍增因子的提高可以降低对加速器束功率的要求，但同时也减少了安全边界及系统运行的灵活性。需要通过优化设计找到最佳的平衡。

元件和结构材料方面，由于LBE冷却剂的采用带来的强腐蚀问题和特殊的热工水力和流致振动问题；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材料的辐照损伤问题等。

（3）作为嬗变装置，包层中将安排主要由MA和LLFP组成的嬗变元器件，需要研究其对堆芯性能的影响和因此带来的特殊安全问题。

开展上述研究需要引进，开发、建立和检验大量的计算机模拟与计算工具。在一定的阶段，建立一个几兆瓦热功率次临界实验装置以检验设计和进行技术的集成是非常必要的。

3.5ADS后处理关键技术

涉及满足增殖和嬗变要求PWR和快堆乏燃料处理研究，目标是能有效从ADS乏燃料中分离铀、钚、MA、Tc、I。还涉及ADS燃料后处理研究，目标是辐照后的ADS燃料回收未嬗变掉的MA和LLFP和萃取新产生的裂变产物，然后通过嬗变系统再循环。

3.6ADS研究发展所需要的核物理基础研究

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300 MeV，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。

4　解决关键技术问题的日程表

4.1中国ADS研发活动建议的日程表

从现在起发展ADS技术到建成全尺度的示范装置总计需要三个阶段，大约25年的时间。

在第一个五年中，应该解决ADS系统单元技术问题，包括加速器、靶、次临界堆、化学分离等问题。在第一个五年结束的时候，应该能够对系统的主要参数作出选择，完成小尺度的技术集成装置的详细设计并开始建设。

在接下来的十年里，应该进行中等尺度的技术集成，建成并运行由MW级加速器束功率驱动的30 MW热功率的ADS实验堆，并开始进行嬗变实验。

再用十年的时间，进行全尺度的技术集成，建成并运行全能量、降低流强的10 MW束功率的加速器驱动的800 MW热功率的示范堆，进行运行可靠性和系统经济性的验证。

由于ADS技术发展的不确定性，为了减少决策的风险，第一阶段的R&D是极其重要的。

4.2建议的第一阶段五年计划研究内容

应围绕ADS关键技术突破来开展，为下一步建设ADS技术集成装置打好基础。具体内容包括：

掌握ADS原理验证装置初步设计的关键技术。完成可视化靶区热态流场研究。完成ADS安全仿真分析。

建设重金属（铅铋合金）热工水力实验回路，并在铅铋合金热工装置上建设铅铋合金腐蚀回路和配套测量设备等。

完成“启明星”1号上的次临界中子学实验研究、ADS束功率与堆功率关系研究、长寿命核素嬗变实验研究。

开展高功率靶及冷却系统预研。

完成ADS专用数据库的建设和检验。

利用建成并运行的RFQ质子加速器，进一步提高其工作比，开展低能强流束传输测量与物理研究，掌握控制束流损失的关键技术，为强流加速器的稳定、可靠运行提供物理与技术基础。

离子源达到新水平：能量75 keV，引出氢束流大于100 mA，聚焦脉冲束发射度εn·rms≤0.2π mm· mrad，可靠性实验运行时间200 h。完成新的束流脉冲化方法研究。

系统研究模拟ADS工况条件下靶材料及结构材料辐照效应微观机理、与冷却剂的相容性和腐蚀机理，以及辐照与腐蚀条件下材料热物性和力学等行为，最终建立较为完整的ADS材料辐照效应和相容性数据库，为材料使用寿命和危险性评估、材料筛选、抗辐照和抗腐蚀新材料研制、ADS设计提供基础数据和建设性建议。

完成干法后处理技术方案的筛选，确定干法后处理的主工艺路线，并开展α密闭铀钚分离实验的验证研究。

实现上述研究目标后，将利用可以调用的加速器资源进行小规模系统集成，建设由束流功率100～200 kW级的强流质子加速器和热功率5 MW左右的热堆以及靶系统组成的小规模ADS系统集成装置——“启明星”2号。

加速器超灵敏质谱技术装置

5　ADS研发与国内核能发展相关计划的关系

5.1ADS研发和快堆发展计划的关系

ADS和快堆均具有核燃料增殖和核废料嬗变的能力，ADS具有更高的中子余额和更硬的中子能谱，与临界快堆相比， 这对增殖和嬗变更加有利。

从技术发展的角度看，快堆在技术上更加成熟，国际上已有建造和运行的经验， 钠冷快堆有300堆·年的成功运行历史，LEB冷快堆有80堆·年的历史。我国目前处于钠冷实验堆建设阶段，预计在2035年左右可以投入商用。而ADS系统我国目前处于基础研究的阶段，在国际上10年之内可望建成实验堆。

研究表明，加速器驱动的快堆是一种比较理想的选择。因此，快堆技术发展是ADS开发的一个必经的阶段， 并对ADS提供有力的技术支撑。ADS研究将涉及新型冷却剂的开发等问题， 可以推动快堆本身技术的发展。

从我国核能可持续发展战略中的地位来看，快堆侧重于核燃料的增殖，ADS侧重于核废料的嬗变是比较合理的选择。

从能源需求的压力和大规模发展核电带来资源的压力来看，快堆越早投入商用对加快商业推广的速度越有利。如果快堆在2035年左右投入商用，应该主要发挥其增殖的能力以加快其推广的速度。如果希望快堆兼顾增殖和嬗变能力，则一是增加了在工艺上的难度，延缓其商用的时间；二是LLFP的嬗变是以消耗本可用于增殖的中子为代价的，兼顾嬗变将会牺牲快堆的增殖能力，增加快堆的倍增时间，从而减缓快堆的商业推广的速度。

从技术的层面分析，ADS由于能谱更硬、中子余额更多，是最理想的嬗变装置，一个优化设计的ADS其支持比可以达到12左右，即部署一个ADS就可以嬗变12个同样规模的PWR核电站产生的长寿命放射性废料。ADS装置在工程应用方面面临的最大问题是驱动加速器的稳定性，但对于嬗变来说，这个问题的重要性降低了。

5.2ADS研发和聚变堆发展计划的关系

聚变堆是未来可能发挥重要作用的能源系统，在现在部署其开发是完全必要的。

聚变能替代裂变能的时间表取决于两个因素。一个因素是聚变堆本身技术成熟到可以商用。另一个因素是其与其他能源系统比较，经济上必须具有竞争性，这只有在裂变能资源耗尽或燃料成本上升到无法接受的水平时才有可能。如果引入快堆，即使不考虑钍资源的利用问题，则保守的估计，天然铀资源可以支持裂变能维持数百年的发展。

按照核电发展规划，到2020年我国核电发展目标是运行装机容量4 000万kW，在建装机容量1 800万kW。即使以后不再新建PWR核电站，到2030年也将有6 000万～8 000万kW的PWR核电站在运行。这些核电站产生的长寿命放射性废料必须有一个安全、经济、现实的处置方案。

因此聚变能发展的计划应该对化学分离+ADS嬗变的计划并没有限制性的影响。

5.3ADS研发和核燃料循环及核废物管理及处置计划的关系

引入ADS系统实施P&T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。

假定ADS在乏燃料中去掉99.9%的TRU，95%的Tc和I，假定ADS废料形态的稀释特性与HLW玻璃废料形态相同，假定铀和钚的回收率为99.9%，则ADS可以减少场址的有效剂量1 000倍，从而降低地质储存场址的要求，降低地质储存场址的费用。

乏燃料中有裂变材料，在场址核废料包装设计的一个限制就是临界性控制。ADS从废料中去掉了大部分裂变材料，明显减少了临界风险。

带有燃料处理厂的ADS单元可以减少高放废料HLW运输的数量，从而减少费用。

化学分离+ADS嬗变可以将待地质处置的废物量减容至少5倍。

6　结论

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。

在国家“973计划”的支持下，国内已经形成了一支ADS的研发力量并有很好的研究基础，形成了与国际研究基本同步的态势，中断这一研究工作甚为可惜，应该继续从多种渠道支持开展ADS的研发。

由于ADS技术发展的不确定性，为了减少决策的风险，下一个五年阶段的R&D是极其重要的。应该开展单项关键技术研究，确定系统的主要技术选择，并进行小尺度的技术集成。

为了对关键技术进行突破，在这一阶段进行重金属（铅铋合金）热工水力实验回路、“启明星”2号等实验平台的建设是非常必要的。

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。

中图分类号：TL50

文献标志码：A

文章编号：1674-1617（2009)03-0202-10

收稿日期：2008-09-16

作者简介：赵志祥（1950—），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士学位，中国原子能科学研究院院长，从事ADS和中子物理学研究。

Study on ADS and the sustainable development of nuclear energy.

ZHAO Zhi-xiang，XIA Hai-hong
(China Institute of Atomic Energy，P. O. Box 275-1， Beijing 102413，China)

Abstract:The minimization of nuclear wastes is the key problem to be tackled for the long term and sustainable nuclear energy development. Accelerator driven sub-critical system （ADS) is a kind of high efficient nuclear waste transmutation machine （or incinerator)， which is the key technique to solve the nuclear waste problem. The basic theory of ADS and driven influence of ADS on the advanced accelerator， advanced cooling technique etc. are introduced in the paper. Meanwhile the present research situations of ADS in some countries are compared. At last， the key problems of the ADS development and the relationship between ADS and the development of nuclear energy in China are discussed.

Key words:nuclear energy； ADS； transmutation