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處理高放射性核廢料的利器---啟明星系列反應堆
2020/01/28 21:12:00瀏覽600|回應1|推薦12

處理高放射性核廢料的利器---啟明星系列反應堆

 

一、核廢料處裡科技

    目前政府執行廢核政策,其最大的理由就是核廢料無法處裡,其實國外核廢料處理研究已獲巨大進展,對岸中國大陸的啟明星系列反應堆就是很好的例子。高放射性廢棄物的處理關係著核能發電是否可持續發展,必須儘早展開研究工作,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。

   “啟明星Ⅱ號”是世界首座專門針對加速器驅動次臨界系統(ADS)系統中子物理特性研究的“雙堆芯”臨界裝置,創新性地採用水堆和鉛堆“雙堆芯”結構,其中鉛基堆芯中子物理特性最接近於ADS工程應用系統。ADS系統可大幅降低核廢料的放射性危害,實現核廢料的最少化處置,同時還能用於發電,提高核資源的利用率,被國際公認為核廢料處理的最有效手段。而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,這一系統對於核電發展具有極為重大的意義。ADS系統有兩個突出的特點:首先是優良的系統安全性,其次是強大的嬗變能力。嬗變和衰變及裂變名詞同時出現,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、中國首座鉛鉍零功率反應堆首次臨界

    2019年10月9日,中國首座鉛鉍合金零功率反應堆——啟明星Ⅲ號,在中核集團中國原子能科學研究院實現首次臨界,這標誌著中國在鉛鉍快堆領域的研發進入工程化階段。啟明星系列零功率裝置,是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,2005年7月,在原子能院建立了首座快熱耦合ADS次臨界反應堆啟明星I號,2016年12月,啟明星II號雙堆芯零功率裝置實現臨界, 2019年10月9日啟明星III號實現臨界。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。



 

 

 

 

 

 

 

 

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楚欣
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2020/01/29 06:09
這是個燒錢的構想,如果那麼好使,美國幹嘛評估后不做了呢?中子撞出去會放出能量是一定的,但會撞出什麼混物出來卻是未定的,高輻射核廢如今累積約達百萬噸,其中最棘手的就是半衰期萬年計的劇毒Pu鈽,ADS能把核廢中的鈽都打成無毒小核嗎?我是完全不信的!不過,現如今我已經轉而支持核電了,因為我覺得人類再撐一百年都很難了,今朝有酒今朝醉吧,想千萬年後核廢汙染,那不是在自尋煩惱嗎?
何偉(H101094880) 於 2020-01-30 16:50 回覆:
美國及日本都想花幾千億美元向中國購買此技術。