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先进核能技术:向更安全、更可靠努力

作者:倪思洁  来源:中国科学报

不久前,中科院发布科技支撑“双碳”战略行动计划,先进核能技术是重点攻关的关键技术之一。

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在。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,一次次核事故给核电发展蒙上阴影。

怎样在助力“双碳”目标实现的同时,让核电技术更安全可靠、更可持续?这是中科院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,中科院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。那里是美国发展核武器后最大的放射性核废料处理厂区。那里存放着含强化学腐蚀、强放射性核废液的锈迹斑斑的大罐子。

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。”这让他更加坚定了一个想法:在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,中科院就启动了“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”战略性先导科技专项(简称ADS先导专项),目标是利用加速器产生高能质子,驱动乏燃料继续“燃烧”。由于加速器停止运行时,燃料就能停止“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的关键核心技术,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、具有更高性价比的“加速器驱动先进核能系统”(ADANES)。

新方案由两部分组成,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系统(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目前的不到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,还可燃烧30%的钍资源,这将支撑核电发展成千上万年。在实现碳中和目标的同时,还能产生可用于精准靶向放疗及核移动电源的珍贵同位素。

就在ADANES方案如火如荼地推进之时,与ADS先导专项同时启动的“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’先导专项前已经明确,中科院要做核能领域的科技创新。我们分析形势之后认为有两个切入点,一个针对核废料安全隐患和环境影响的问题,研发核废料安全处理处置技术,将需要地质处置的核废料最少化;另一个针对铀—235核燃料匮乏问题,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。”中科院重大任务局材料能源处时任处长、中科院赣江创新研究院纪委书记彭子龙在回忆先导专项立项经过时对《中国科学报》说。

TMSR先导专项计划用20年左右的时间,在国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。2017年11月,中科院与甘肃省签署四代先进核能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:东方超环与神光

在发展核裂变能的同时,中科院还有一批科研人员在探索另一类未来先进核能技术——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现作出重大贡献。”中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛说。

核聚变相当于用力把一堆原子捏到一起,然后释放出能量。核聚变反应条件苛刻,不仅需要达到千万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,是核聚变能技术的一大难点。

彭子龙告诉《中国科学报》,中科院科研人员在核聚变能技术上有两个努力方向,一是磁约束的核聚变,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度的高温,以达到核聚变对温度的要求。

早在上世纪70年代,位于合肥的中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所就开始了核聚变相关研究,并于上世纪90年代启动磁约束的核聚变能技术——超导托卡马克的研究。

2006年,被誉为“人造太阳”的东方超环正式建成,成为我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。同年,以中科院为主导的中国团队加入国际热核聚变实验堆计划,成为全球探索“人造太阳”新能源队伍中的重要一员。

2021年12月30日,东方超环实现7000万摄氏度下长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压缩并最终引爆小球,形成微型“氢弹”爆炸,产生热能。为了验证这种原理,美国在2009年建成了国家点火装置(NIF)。

在我国,上世纪60年代,中科院上海光学精密机械研究所开启了我国激光惯性约束核聚变能的研究历程。上世纪80年代,为了追赶国际研究的步伐,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,1994年装置退役后被称为“神光—I”。2000年和2015年,我国又先后建成神光—II激光装置和神光—III主机激光装置并投入使用。

面向2060:科学家们的梦想

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

“当初,我们酝酿研讨先导专项的时候,内心瞄准的是30年以后的事情。”彭子龙说,作为国立科研机构,中科院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。

在明确目标之后,中科院动员起了规模大、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,中科院的使命定位决定着其具有更强的创新能力和欲望。“国家要创新,中科院能创新。”彭子龙说。

面向碳中和目标,科研人员又一次鼓足了干劲。

作为先进核裂变能的研究者,詹文龙有一个梦想:在广袤无人的沙漠戈壁滩上,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起,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年将高标准高质量按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燃料干式处理生产线。同时,实现ADANES整体方案优化;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产。

按技术进展,到2032年,他们将突破ADRUF关键核心技术,完成热室系统建设并进行再生核燃料研发,并完成基于CiADS的燃烧示范;争取国家重大科技基础设施“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,为碳中和提供硬科技支撑,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年内建成未来核聚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‘时间路线图’。按照现有技术,用10年时间建成核聚变发电示范工程是完全可以实现的,用不了多久,人类就可以点燃核聚变这个‘大煤球’。”宋云涛说。

无论是过去、现在还是未来,中科院的科研人员一直向着更安全、更可靠、更经济的核能技术努力。正是这些延续了10年、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,让中国碳中和目标的实现未来可期。