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) 》

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
Comparison of ADS and Fast Reactors (350 page study )by Nuclear Energy Agency (NEA) and Organization for Economic Co-operation and Development (OECD)
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
核废料最少化
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
“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。
0 10 50 2790
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。
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 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
可
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40 GWe （运行）和18 GWe（在建）的发展目标， 预计我国乏燃料累积存量到2020年将达到 6000～10 000t。如果2030年的核电装机容 量达到80～100 GWe。则届时乏燃料累积 存量将达到20 000～25 000 t，其中所含 钚为160～200t，次锕系核素为16 - 20t, 长寿命裂变产物为24 - 30 t。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。
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。
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：
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。
ADS is better at burning waste than fast reactors
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。
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。
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。
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116 kg/Gwe·a, 产生量为42～83 kg/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。
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50 000 t，每年还要新增2000 t，而尤卡山处置库的设计容 量约为70 000 t（其中民用乏燃料的处置容量为63 000 t）。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”（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。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。
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。
表. 处置87000吨乏燃料的ADS系统总费用（亿美元） R&D 单元 加速器 嬗变器 分离器 ATW燃料装配 地点支持 回收/运输/处置 集成 小计 0.7 20 1.7 10 5 30 20 20 6 10 1 10 90 示范 建设 110 300 90 20 10 0 0 540 合计 推进 运行 D&D 440 6 590 490 410 410 310 40 0 2100 30 10 2 1 0 860 530 440 330 40
二、ADS是最有前景的嬗变技术之一
ADS的基本原理和特点 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： K>1，超临界状态，原子弹爆炸 K=1，临界状态， 核电站 K<1，次临界状态(相应的装置叫做次临界堆)
核电厂燃料循环
后处理
1000MWt轻水堆
FP分离
MA多 次循环 嬗变FP
质子加速器，1GeV/40mA
中子靶 30n/p 次临界堆：嬗变，增殖
K，G
部分电力 运行加速器
原理：
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K<1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