方守贤院士《加速器驱动的次临界堆(ADS)嬗变核废料和加速器驱动钍反应堆(ADTR) 》

加速器驱动次临界系统（ADS）与核能可持续发展方守贤10/01/14内容一、分离-嬗变是实现核能可持续发展不可缺少的环节二、ADS是最有前景的嬗变技术三、ADS嬗变与其它嬗变技术的比较四、ADS发展必须解决的技术关键五、ADS与能源-ADTR前言长寿命放射性废料处置的重性„根据2020年我国核电装机容量为40GWe（运行）和18GWe（在建）的发展目标，预计我国乏燃料累积存量到2020年将达到6000～10000t。如果2030年的核电装机容量达到80～100GWe。则届时乏燃料累积存量将达到20000～25000t，其中所含钚为160～200t，次锕系核素为16-20t,长寿命裂变产物为24-30t。这些长寿命放射性废料必须有一个安全、经济、现实的处置方案。院士咨询„08年就ADS的下一步发展，数理学部组织了四次院士咨询会，对加速器驱动核能系统（ADS）发展前景进行了分析评估，对我国未来ADS发展路线提出了积极的建议，得出结论：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。咨询专家：方守贤、王乃彦、何多慧、何祚庥、张焕乔、杨国桢、陈和生、欧阳予、魏宝文、潘自强、阮可强、陈佳洱、沈文庆、胡仁宇、葛墨林赵志祥、夏海鸿、顾忠茂、叶国安、傅世年、徐銤一、分离-嬗变是实现核能可持续发展不可缺少的环节核废料问题是核能可持续发展的重要制约因素，是一个不可回避必须解决的重大问题z一座100万千瓦的压水堆（PWR）电站，每年卸出乏燃料约25t；其中含有可循环利用的铀约23.75t,钚约200kg,中短寿命的裂变产物(FPs)约1000kg；还有次锕系核素约20kg，长寿命裂变产物约30kg，这些核废料寿命长、放射毒性大，对人类环境构成长期危害。z最大限度地减少核电站运行产生的高放废料的体积及其放射毒性，并将高放废料安全处置，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，同时也是一个重大的世界性难题。核废料最少化“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。„先进燃料循环方式“分离－嬗变”（P－T）战略。指乏燃料经过后处理分离，将回收的铀和钚回到反应堆中循环使用。进一步将次锕系元素和长寿命裂变产物分离出来，在嬗变器中进行嬗变一次通过”循环方式的缺点„乏燃料中96∼97%为可利用的U和Pu，仅有3∼4%为高放废料（裂变产物及次锕系核素）。将乏燃料中大量有用的资源与少量的废料一起直接处置，不仅造成严重的资源浪费，还将大大增加废料处置的体积和放射毒性。对人类环境安全的长期威胁极大„处置费用高。高放射性核废料的地质处置库建设是耗资巨大的工程，美国尤卡山核废料处置库的处理能力为7万吨，其工程预算高达437亿美元，还不包括乏燃料运输费用和地质处置场的运行费用。先进核燃料循环--“分离-嬗变”战略„上世纪90年代以来国际上开发的先进核燃料循环是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，在嬗变器（焚烧快堆或加速器驱动的次临界堆（ADS））中进行嬗变，这就是所谓的“分离－嬗变”（P－T）战略。全球核能合作伙伴GNEP„30多年来，美国的核电厂积累的乏燃料已达50000t，每年还要新增2000t，而尤卡山处置库的设计容量约为70000t（其中民用乏燃料的处置容量为63000t）。显然，如果乏燃料直接处置，则尤卡山处置库很快就会装满，不得不再投资400多亿美元新建一个地质处置库。„美国布什政府于2006年2月提出了“全球核能合作伙伴”（GlobalNuclearEnergyPartnership,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。希望通过实施GNEP计划，使需要地质处置的高放废料体积降低50倍左右，从而使美国在21世纪只需一座地质处置库就够用。分离－嬗变（P－T）战略„分离－嬗变是将后处理分离出的Pu进入快堆利用，则废料的放射性毒性在1000年后可降低1个数量级；如果再将MA分离出来进入嬗变器（如焚烧快堆和ADS）进行嬗变，则废料的放射性毒性可降低2个数量级。„分离-嬗变战略可以充分利用铀资源，并最大限度地减少高放废料的体积及其放射性毒性，实现核废料的最少化。二、ADS是最有前景的嬗变技术之一能量放大器原理1993年，鲁比亚提出洁净核能源的概念，名为能量放大器。能量放大器是依靠外源中子激起裂变的链式反应。它由一个超强的稳定散裂中子源和一个次临界堆组成。中子的增殖系数：K1，超临界状态，原子弹爆炸K=1，临界状态，核电站K1，次临界状态(相应的装置叫做次临界堆)ADS的基本原理和特点核电厂燃料循环后处理后处理1000MWt1000MWt轻水堆轻水堆FPFP分离分离质子加速器，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FPMA多次循环一个1GeV质子轰击重元素“靶”(如铀)时，散裂反应将约释放出45个中子。1GeV、10mA的的质子束轰击铀靶，每秒产生平均能量为400MeV的2.8×1018个中子。在一个中子增殖系数K1的(如K=0.98)的次临界堆中，中子数会放大1/(1-K)倍，即1.4×1020个中子。这些中子将引起裂变链式反应，即燃烧堆中的核燃料，提供能量做发电用。在零级近似下,这一次临界堆可以产生热功率1920MW，如果热电功率转换比为0.33，可输出的电功率将是643MW。扣除加速器所耗的电功率后（电→束的转化率为1/3），可以有600兆瓦的上网功率，相当于二期秦山核电站的发电量。装置又名为加速器驱动的次临界堆(ADS)，它是极有发展前景的新一代能源ADS是由本世纪内核科学技术发展中两大工程—加速器及反应堆的“结合体”核心之是台功率为2030MW的强流质子直线原理：ADS所需的加速器„ADS所需的加速器功率取決于次临界堆的设计,例次临界堆包层的裂变功率为3GW,而Keff为0.95到0.98时,要求质子束的功率为55MW到21MW,当加速器能量为1.5GeV时,相应的流强为37mA到14mA.ADS是最有前景的嬗变装置„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；另一个是系统嬗变或增殖每个核所消耗的中子数目。ADS系统最重要的特点1.由于ADS系统有外源中子，其中子余额数目(定义为一次裂变产生的中子数目减去消耗的中子数目)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。2.由于ADS系统的能谱很硬，中子平均能量达到500keV，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。3.其嬗变能力在已知的系统中是最强的，ADS的嬗变支持比可达到12左右。三.ADS嬗变与其它嬗变技术的比较ADS和热堆嬗变的比较„热堆的嬗变能力很差，嬗变的中子经济性不好；ADS系统为热堆核电站所产生的大量的高放废料的处置提供了解决方案。新一代热堆电站主要是向更经济、更安全的方向去发展。ADS与快堆嬗变的比较„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。„在快堆中嬗变MAs时，燃料中加入MAs后会提高堆芯的反应性而使堆安全性下降。所以，快堆中加入MA的量一般不能超过燃料总量的2.5%。在此条件下快堆的嬗变支持比为2.5，即一座快堆只能嬗变2.5座同等功率的热堆产生的MAs。„另外,尽管快堆的中子谱较硬，但仍有部分核素通过中子俘获生成新的长寿命放射性废料MAs。以Am的嬗变为例，快堆中Am的嬗变量为116kg/Gwe·a,产生量为42～83kg/Gwe·a„ADS支持比可以达到12-20左右，即部署一个ADS就可以嬗变12-20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，这个问题的重要性大大降低。ADS发展与快堆发展是互补的„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，ADS在国际上10年之内可望建成实验堆。„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开发的一个必须经过的阶段,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，快堆越早投入商用并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，带来了特殊的安全问题，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。ADS与快堆各得其所„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。快堆应该是解决核燃料增殖的主力堆型。国际上的观点„ComparisonofADSandFastReactors(350pagestudy)byNuclearEnergyAgency(NEA)andOrganizationforEconomicCo-operationandDevelopment(OECD)„ADSisbetteratburningwastethanfastreactors和核废料管理及处置计划的关系„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；分离-ADS嬗变可以减少场址的放射性毒性水平至少两个数量级，对高放废料减容至少5倍，由于从废料中去掉了大部分裂变材料而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。“一次通过”和“分离－ADS嬗变”的经济性分析„处理能力为7万吨的美国尤卡山核废料处置库其工程预算为437亿美元，不包括乏燃料运输费用和地质处置场的运行费用。„如果采用“分离－ADS嬗变”战略，按照美国ADS路线图研究的结论，包括了研发、示范、部署八个装置在寿期内处置8万7千吨乏燃料的全部费用约2800亿美元（见表）。而电力销售（4.3美分/度电）的收入为约3000亿美元，即处置费用全部可以自己解决。表.处置87000吨乏燃料的ADS系统总费用（亿美元）推进单元R&D示范建设运行D&D加速器1.7301104406590嬗变器102030049030860分离器5209041010530ATW燃料装配6204102440地点支持10103101330回收/运输/处置1040040集成0.71000010小计20905402100502790合计小结第一，“分离－ADS嬗变”战略同时解决了乏燃料中铀和钚的回收，产生的很好的资源效益和实际的巨大的附加的经济效益应该加以考虑；第二，“分离－ADS嬗变”战略仍然需要地质储存，但是将减少废料的放射性毒性水平至少两个数量级，减少废料的容量至少5倍，这将大幅度减少废料运输和地质储存的费用，这个因素也应该加以考虑。国际发展态势„自九十年代初以来，一些先进的核能开发国家对ADS的物理基础作了充分论证，这一系统所具有的嬗变核废料、固有安全性和增殖核燃料的能力已被广泛确认。„各主要核电国家均有ADS发展的国家计划；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，一步是建