先进核能技术:向更安全、更可靠努力

   

  ■本报记者 倪思洁

  不久前,发布科技支撑“双碳”战略Xíng动计划,先进核能技术是重点攻关的关键技术Zhī一。

  在各类减少碳排放的清洁能源中,核能是令人又爱又惧的存Zài。作为清洁能源,核能可以有效减少碳排放,成为替代化石能源的希望,但它也是悬在人们头顶的达摩克利斯之剑,美国三英里岛核事故、苏联切尔诺贝利核事故、日本福岛核泄漏,一次Cì核Shì故给核电发展蒙上阴影。

  怎样Zài助力“Shuāng碳”目标实现的同时,让核电技术更安全可靠、更可持续?这Shì的科学家们一直在探索的问题。

  核裂变能技术:榨净核废料,丰富核燃料

  2016年,院士詹文龙曾前往美国华盛顿州哥伦比亚河畔的汉福德镇参观。那里是Měi国发展核武器后最大的放射性核废料处理厂区。那里存放着含强化Xué腐蚀、强放射性核废液的锈迹斑Bān的大罐子。

  詹文龙至今记得当时触目惊心之感:“美国现在一年要用20亿美元去维持那里的安全。”这让他更加坚Dìng了一Gè想Fǎ:Zài我国发展一种能够更安全、更经济地处理核废料的技术。

  在科学家眼中,核废料并不是“废料”,而是可以继续利用的“乏燃料”。早在2011年,就启动了“未来先进核裂变能—ADS嬗变Xì统”战略性Xiān导科技专项(简ChèngADS先导专项),目标是利用Jiā速器产生高能质子,驱动乏燃料继续“燃烧”。由于加速器停止运行Shí,Rán料就能停止“燃烧”,这一技术也被国际公认为最有前景的利用嬗变安全处置长寿命核废料的技术途径。

  到2016年詹文龙赴美参观时,科学家们已经突破了一些ADS的关键核心Jì术,并且完成了一种新方案的设计,即一种能把乏燃料“吃干榨净”的、具有更Gāo性价比的“加速器驱动先进核能系统”(ADANES)。

  新方案由两Bù分组成,一是将已有的ADS技术工业化,二是研制乏燃料再生循环利用Xì统(ADRUF)。前者相当于“造炉子”,后者相当于“造燃料”。

  詹文龙介绍,根据这一方案,铀资源的利用率将由MùQián的不到1% 提高到超过95%,最终只需处置少于5%的核废料,其放射性寿命将由数十万年缩短到五百年内,还可燃Shāo30%的钍资源,这将支撑核电发展成千上万年。在实现碳中和目标De同时,还能产生可用于精准靶向放疗及核移动电源的珍贵Tóng位Sù。

  就在ADANES方案如火如荼地推进之时,与ADS先导专Xiàng同时启动的“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统”(TMSR)先导专项也初见成效。

  “在2011年启动‘未来先进核裂变能’Xiān导专项前已经明确,要做Hú能领域的科技创Xīn。我们分析形势之后认为有两个切入点,一Gè针对核废料安Quán隐患和环Jìng影响的问题,研发核废料安全处理处置技术,将需要地质处置的核废Liào最少化;另一Gè针对铀—235核Rán料匮乏Wèn题,研发将钍—232用作核燃料的技术,以实现核燃料来源的多样化。”重大任务局材料能源处时任处长、赣江创新研究院纪委书记彭子龙在回忆先导专项立项经Guò时对《中国科学报》说。

  TMSR先导专项计划Yòng20年左右的时间,在Guó际上首先实现钍基熔盐堆的应用,同时建立钍基熔盐堆产业链和相应的科技队伍。2017Nián11月,与甘肃省签署Sì代先进HúNéng钍基熔盐堆战略合作框架协议。至2021年5月,TMSR主体工程已基本完工。

  核聚变能技术:东方Chāo环与神光

  在发展核裂变能的同时,还Yǒu一批科研人员在探索另一类未来先进核能Jì术——可控的核聚变能技术。

  “聚变能是核能发展的最终目标,聚变能可以为碳中和的实Xiàn作出重大贡献。”合肥物质科学研究院副Yuàn长、等离子体Wù理Yàn究所所长宋云涛Shuō。

  核聚变相当于用力把一堆Yuán子捏到一起,然后释放出能量。核聚变反应条件Kē刻,不仅需Yào达到Qiān万甚至上亿摄氏度的高温,还需要巨大的压力。因此,如何触发反应,是核聚BiànNéng技术的一大难点。

  彭子龙告诉《中国科学报》,科研人员在核Jù变能技术Shàng有两个努力方向,一是磁Yuē束的核聚变,二是惯性约束的核聚变。

  磁约束核聚变,是通过托卡马克装置产生强大的磁场,把等离子体约束在尽可能小的范围内并将其持续加热并维持在数千万甚至上亿Duó的高温,以达到核聚变对温度的要求。

  早在上世纪70年代,位于合肥的合肥物质科学研究院等离子体物理研究所就开始了核聚Biàn相关研究,并于上世纪90年代启动磁约束的核聚变Néng技术——超Dǎo托卡马Kè的研究。

  2006年,被誉为“人造太阳”的东方超Huán正Shì建成,成为Wǒ国自行设计研制的国际首个全超导托卡Mǎ克装置。同年,以为主导的中国团队加Rù国际热核聚变实验堆计Huà,成为全球探索“Rén造太阳”新能源队伍中的重要一员。

  2021年12月30日,东方超环实现7000万摄氏度XiàZhǎng脉冲高参数等离子体持续运行1056秒,这是人类首次实现人造太阳持续脉冲过千秒。

  惯性约束核聚变,是将聚变材料制成仅约一两个毫米的靶丸,然后从四面八方均匀射入高能激光束以持续Yà缩并最终引爆小球,形成微型“氢弹”爆炸,产生热能。为了验证这Zhòng原理,美国在2009年建成了国家点火装置(NIF)。

  在Wǒ国,上Shì纪60年代,上海光学精密机Xiè研究所开启Liǎo我国激光惯性约束核聚变能的研究历程。上世纪80年代,为了追赶国际YànJiūDe步伐,上海光机所开始了大型综合性激光装置——“神光”的预研工作,并于1986年建成,1994Nián装置退役后被称为“神光—I”。2000年和2015年,我Guó又先后建成神光—II激光装置和神光—III主机激光装置并投入使用。

  Miàn向2060:科学家们的梦想

  从2011年至今的10多年里,“未来先进Hú裂变能”Xiān导专项的发展历程与现状让彭子龙看到了在开展先进核能技术方面的优势。

  “Dàng初,我们酝酿研讨先导专项的时候,内心瞄Zhǔn的是30年以后的事情。”彭子Lóng说,作为国立科研机构,必须更加前瞻分析需求和挑战,基于科学本源、科学规律思考解决方案。

  在明Què目标之后,动员起了规模大、学科全的综合创新力量。“每个先导专项都是十几个研究所共同参与的。”彭子龙回忆。

  他感慨,作为国家战略科技力量,的使命定位决定着其具有更强的创新能力和Yù望。“国Jiā要创Xīn,能创Xīn。”彭子龙说。

  面向碳中和目标,科研人员又一次鼓足了干劲。

  Zuò为先进核裂变能的研究者,詹文龙有一个梦想:在广袤无人De沙漠戈壁滩上,建一片清洁能源的绿洲,将太阳能、风能与更安全可靠的核能技术整合在一Qǐ,源源不断地向千家万户输出清洁无污染的电力能源。

  詹文龙介绍,他们已突破ADS关键核心技术,2020~2027年将高标准高质量àn计划建成国家重大科技基础设施“加速器驱动嬗变研究装置”(CiADS);针对ADRUF,同期建成模拟燃料示范的乏Rán料干式处理生产线。同时,实现ADANES整体方àn优化;突破强辐照下稀有同位素量产关键技术与工艺,开展精准放疗同位素的量Chǎn。

  按技术进展,到2032年,他Mén将突破ADRUF关键核心技术,完成热室系统建设Bìng进行再生核燃料研发,并完成基于CiADS的燃烧示范;争取国家重大科技Jī础设施“高密度能源燃料研究装置”完成立项,建设超强宽谱辐照设施及相关核材料研发平台。

  到2035年后,他们将完成ADANES集成优化与工业应用示范,为碳Zhōng和提供硬科技支撑,并实现产业化。

  作为先进核聚变能的研究者,宋云涛也有一个梦想:10年内建成未来HúJù变发电站的示范工程,真正实现聚变堆发电。

  “时间紧迫,中国有自己的‘时间Lù线图’。按照现有技术,用10年时间建成核聚变发电Shì范工程是完全可以实Xiàn的,用不了多久,人类就可以点燃核聚变这个‘大Méi球’。”宋云涛说。

  无论是过去、现在还是未来,De科研人员一直向着更安全、更可靠、更经济的核Néng技术努力。正是这些延续了10Nián、20年、半个多世纪的坚持,让中国先进核能技术的发展前景有望,让中国碳中和目标De实Xiàn未来可Qī。

  《中国科学报》 (2022-08-04 第1版 要闻)

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