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中國大陸高功率質子加速器研製成功解決核能發電廢料問題
2021/02/14 08:13
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中國大陸高功率質子加速器研製成功解決核能發電廢料問題

 

一、      核廢料處裡科技邁向成功 

    根據中國大陸央視報導,中國科學院近代物理研究所研製的加速器驅動嬗變系統(ADS取得新進展,其關鍵系統超導直線加速器首次實現強度10毫安培連續波質子束176千瓦運轉目標,並於2月12日凌晨實現了10毫安束流穩定運行。這一科研進展對加速器驅動嬗變研究裝置提供了重要支持。2011年中國科學院啟動實施了戰略科技專項“未來先進核裂變能-ADS嬗變系統”。射頻超導強流高功率質子直線加速器是ADS三大關鍵系統之一,強流高功率離子束是核科學和核技術前沿,也是各發達國家爭先搶占的戰略高地。實現10毫安連續波強流高功率質子束穩定加速是國際上近20年來長期追求的目標,無論物理上還是技術上都存在前所未有的巨大挑戰。春節期間,研究團隊解決了許多難題,實現10毫安下的束流快速恢復和穩定運行,功率達到176千瓦,可用性達到90%以上,再次刷新世界紀錄。數十兆瓦的高功率連續波超導加速器是核廢料嬗變處理、醫用同位素生產、高通量中子源等國家重大戰略需求的核心技術。在射頻超導加速器建設和高功率穩定運行上取得的新突破,奠定了核廢料嬗變處理和新元素合成研究的基礎,也將助力中國醫用放射性同位素的規模量產。 

    目前台灣反核的最大藉口就是核廢料無法處裡,其實核能科技日新月異,中國大陸的啟明星系列反應堆就是解決核廢料的方法。高放射性廢棄物的處理關係著核能發電是否可持續發展,為了實現核電的持續發展,必須將高毒性次錒系(MA元素和長半化期分裂產物徹底轉化,以期在充分利用核分裂能量的同時,實現核廢料最少量及毒性最少化。使用加速器驅變技術(ADTT)設計可將高放射性且長壽命廢料轉化為短半化期或根本無放射性的廢料。這些方案是利用高強度質子直線加速器(約1GeV能量,100mA電流)的質子束轟擊周圍有可分裂物質的液態鉛靶,產生的中子經緩速、倍增後,與經適當處理的循環流動的核燃料及分裂產物作用。ADTT方案可用釷發電,同時燃燒核廢料,若設計成次臨界狀態,則因加速器可以瞬間停止,故整個裝置比較安全可靠。它發出的電能約有20%供加速器運行,而其餘的80%則可併入系統使用。 

     中國是世界上第一個開展ADS嬗變系統大工程項目研製的國家,中國首座快熱耦合ADS次臨界反應堆——啟明星I號於2005年7月在原子能院建置成功,成為國際原子能機構開展ADS實驗研究的基準裝置。啟明星II號鉛基雙堆芯零功率裝置於2016年12月在原子能院成功實現臨界。2019年10月,中國首座鉛鉍合金零功率反應堆——啟明星Ⅲ號實現首次臨界,並正式啟動鉛鉍堆芯核特性物理實驗,標誌著中國在鉛鉍快堆領域的研發進入工程化階段並躋身國際前列。此系統對於核電發展具有重大意義。ADS系統有兩個特點:首先是優良的系統安全性,其次是強大的嬗變能力。嬗變是指一種核種受到基本粒子的轟擊,產生成另一種穩定的核種,現代科學家追求的“嬗變”,是使長壽命、強放射性的超鈾元素和分裂產物,即Np,Am,Cm等接受高能粒子轟擊後生成穩定無放射性的核種,同時又可利用嬗變產生的能量發電。  

二、加速器驅動次臨界系統(ADS    

    目前核電是使用核分裂變產生的核能,一般反應堆依靠自己裂變產生的中子臨界運行,次臨界系統就是不到臨界狀態運行,一次裂變產生的有效下一代中子數少於1,裂變反應無法持續,因此需要一個中子源提供第一代中子。加速器產生的高能質子打到重的原子核上,能把核內的很多中子打出來。這些中子能量高,誘發裂變能力強。這就是加速器驅動次臨界系統的概念。ADS的優點,第一是次臨界,第二是中子能量高,比快堆裡的中子還快。快堆能做的事情它都能做,而且做得更好,比如燃燒超鈾元素核廢料及增殖可分裂物質。缺點是技術複雜,發電需要的加速器還做不出來。嬗變是導致原子核發生變化的核反應,實用上特指將長壽命高放射性核廢料(超鈾元素)裂變掉,變成短壽命放射性元素的反應。ADS中的高能中子能夠使超鈾元素裂變。因此,嬗變超鈾元素是ADS的主要用途之一。自從上世紀90年代以來,各國都產生了興趣,但美國政府評估之後,並沒有啟動任何專門的ADS計劃,只有歐洲的比利時和中國有專門的ADS項目,由於ADS投資巨大,而且是難以操作維護的強放射性裝置,與傳統臨界堆不同,ADS的中子倍增係數k一般取0.92~0.98之間,要維持反應堆功率,須靠加速器產生中子,ADS中的一迴路冷卻劑直接受到能量高達GeV的質子和中子的轟擊,本來不容易活化的元素也會活化,因此,一迴路冷卻劑的放射性將與乏燃料可以比擬,遠遠大於普通熱堆或者快堆。一迴路難以設計,防護,和維護,二迴路也容易活化,或受到放射性污染,因而整個系統極難維護。因為極高能質子和中子的存在,ADS第一級及次級核反應種類繁多,生成物複雜,涉及的元素數目巨大。一般核反應堆需要考慮的元素數目大約是百的量級,而ADS中是千的量級。這給理論分析、模擬計算、實驗測量都帶來了極大的挑戰。  

三、台灣反核缺乏科學素養及前瞻性影響經濟發展 

     啟明星系列是大陸中核集團為開發先進反應堆工程技術而自主設計的反應堆物理實驗平台,反應堆分類形式多種多樣,按中子能譜分類,可分為熱中子堆、中能中子堆和快中子堆;按冷卻劑類型分類,可分為氣冷快堆、鈉冷快堆和鉛/鉛鉍冷卻快堆。零功率裝置是運行功率極低(最高不超過100瓦)的反應堆,以此獲取的零功率實驗數據及反應堆測量技術等的準確性和可靠性進行研究。啟明星Ⅲ號可設計為百萬千萬級大電廠、兆瓦級小型模塊化核電源或車載。鈉冷快堆採用鈉作為冷卻劑的優點是熱導率和比熱容高,中子吸收截面低,不易活化,與結構材料的化學相容性好。鉍快堆採用低熔點、高沸點的鉛鉍共晶合金作為冷卻劑,相比於氣冷快堆、鈉冷快堆,鉛鉍快堆由於中子經濟性好,嬗變率高,功率密度高,傳熱性能強,熱點轉換效率高,具有更好的安全性,可滿足特殊應用需求。國際上關於鉛冷快堆的研究工作才剛開展,目前俄羅斯、美國、歐盟等國家技術較為成熟。2018年,中核集團開啟了新一輪鉛鉍堆技術問題研究,包括結構材料在高溫高流速的鉛鉍合金中的腐蝕沖刷性能以及質量遷移效應等腐蝕機制。如果鉛鉍堆成功小型化後,未來將圍繞海島建設、一帶一路倡議以及2025中國製造等國家層面發展需求,在前期研究成果的基礎上,全面進入示範型號建設階段。 

    台灣能源匱乏,廢核是錯誤政策,進口的天然氣儲存時間僅有7~14天,水力發電已開發殆盡,風力靠天吃飯,夏季無風且會受颱風傷害,之前遇到強颱又一下子吹斷好幾根風力機,沒法做主要穩定供應來源,也不可能把有限土都拿去種電(太陽能)。台灣是海島獨立電網國家,德國是聯合電網,但買的是法國的核電,日本發生核災後,也又開始恢復核電了,核能不是是非題,是選擇題,廢核是錯誤的政策,能源多元化,核率可共生,台灣將各種能源作一適當配比才是正確政策。台灣經濟發展需用電,台灣不產能源,天然氣、石油及煤皆靠進口,再生能源固然很重要且環保,但台灣面積太小,風力及太陽能發電無法滿足穩定電力需求。化石燃料的耗竭是21世紀人類文明最大的的危機,使用核能是必須的,它可延長石油及天然氣的壽命,利用這段時間人類可發展核融合替代能源。事實上除核能外,地球上其他能源都來自太陽,化石燃料是古代動植物埋藏地下轉化生成,風力是太陽能加熱造成的空氣對流,水力是大海被日光蒸發之水蒸汽降雨至高山產生水之位能。太陽能本身亦是一種核融合反應的核能,人類現在已進入太空時代,在太空中無法使用風力、水力及火力發電,只能依賴太陽能及核能,所以從科學角度來看,反核實毫無意義。

 

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