加速器驱动次临界系统资料

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核废物处置战略和加速器驱动次临界嬗变系统ADS研究通用课件

探讨法国布格-圣弗洛朗坦地下实验室在放射性废物处置研究方面的成果，包括场地选择、岩层稳定性和环境影响评估等方面的专
业知识和技术。
ADS在核废物处置中的实践案例
瑞士苏黎世ADS系统
介绍瑞士苏黎世ADS系统在核废物嬗变中的应用，包括加速器设计、次临界反应堆控制和废物处理流程等方面的技术创新和实践经验。
核废物处置战略和加速器驱动次临界嬗变系统ads 研究通用课件
目录
• 加速器驱动次临界嬗变系统(ADS)
核废物处置战略概述
核废物类型和来源
放射性废物
来源于核电站、核武器生产等过程中产生的具有放射性的废料。
中低放射性废物
核工业过程中产生的放射性水平较低的废物。
燃料废物
核电站等核设施燃烧核燃料后产生的废物。
03
灵活性：通过调整粒子加速器的参数，可以针对不同
种类的核废物进行优化处理。
ADS技术的优势与挑战
• 能源回收：在核废物处理过程中产生额外能源，有利于能源的可持续发展。
ADS技术的优势与挑战
技术难度：ADS技术涉及复杂的粒子加速和核物理过程，技术实现难度较大。
安全问题：由于涉及核反应，ADS系统的安全性问题必须得到严格保障，需要采取一系列安全措施确保
结合我国核废物处置现状和未来发展需求，提出我国在核废物处置技术研发、政策制定和国际合作等方面的建议和措施。
THANKS
加强监管和法规
03
国际社会普遍加强对核废物管理和处置的监管，制定
严格的法规和标准，确保核废物的安全和环境保护。
加速器驱动次临界嬗变系统(ADS)介绍
ADS系统原理和构成
原理
加速器驱动次临界嬗变系统（ADS）是一种利用高能粒子加速器产生的粒子束来引发核反应的系统。它利用粒子加速器将粒子加速到极高速度，然后将这些高能粒子瞄准一个次临界靶，以引发核嬗变反应。

铅铋冷却的加速器驱动的次临界堆的燃耗分析

熊鑫，杨永伟
（清华大学核能与新能源技术研究院，北京１０００８４）
摘要：对热功率８００Ｍｗ，加速器质子能量６００ＭｅＶ的铅铋合金冷却的加速器驱动的次临界系统进行了物理特性上的研究和堆芯设计。利用清华大学核研院自主开发的耦合ＭＣＮＰＸ２．１．５和０ＲＩＧＥＮ２．１
ｐｉｔｃｈ — ｔｏ — ｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄＭＡｃｏｎｔｅｎｔｉＳｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ａｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｆｅａｓｉｂｌｅｓｃｈｅｍｅｏｆｌｅａｄ－ｂｉｓｍｕｔｈｃｏｏｌｅｄａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｄｒｉｖｅｎｓｕｂ — ｃｒｉｔｉｅａ１ｓｙｓｔｅｍｉＳｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｅａｄ — ｂｉｓｍｕｔｈｅｕｔｅｃｔｉｃ；ｔｒａｎｓｍｕｔａｔｉｏｎ；ｂｕｒｎｕｐ；ｓｕｂ — ｃｒｉｔｉｃａＩｓｙｓｔｅｍ
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＢｕｒｎｕｐｉｎＬｅａｄ — ＢｉｓｍｕｔｈＣｏｏｌｅｄＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＤｒｉｖｅｎＳｕｂ — ｃｒｉｔｉｃａｌＲｅａｃｔｏｒ
的三维燃耗程序ＣＯＵＰＬＥ２进行计算分析。研究了不同的栅径比以及次锕系核素（ＭＡ）的含量对反应

新一代干净的核能_加速器驱动的次临界堆

新一代干净的核能———加速器驱动的次临界堆3赵志祥丁大钊(中国原子能科学研究院,北京　102413)3　1996年10月7日收到初稿,1996年11月18日修回摘　要介绍了新一代干净的核能———加速器驱动的次临界堆的原理和国际研究进展,并对国内如何开展这方面的研究提出了建议.关键词加速器,次临界堆,干净核能Abstract We present the principle and progress of accelerator driven sub 2critical reactors as the new generation of clean nuclear energy systems.Some suggestions on further work are given.K ey w ords accelerator ,sub 2critical reactor ,clean nuclear energy1　从常规能源、核能到新一代的核能111　从伦敦杀人雾事件说起1952年12月5日,伦敦忽然下起了大“雾”,灰色的大“雾”持续了四五天,市民们感到窒闷,几天中竟有～4000人在“雾”中死亡,大“雾”过后又有～8000人病死,这就是震惊世界的伦敦杀人雾事件.类似的杀人雾事件历史上还发生过多起.现在已经知道,施放杀人雾的罪魁祸首就是以燃煤为能源的大工业.燃煤、石油、天然气等常规能源除了造成严重的空气污染以外,还会造成酸雨,带来温室效应.世界气象组织预测,如不采取措施,今后150年内,大气中的二氧化碳含量将达到今天的4—8倍,气温将升高十几度,那对人类也许是一个灾难.人类在进入第二次工业革命的同时也放出了一个难以驾驭的魔鬼.常规能源带来的另一个问题是,地球上的煤、石油、天然气还够人类用多久?70年代初,国外学者预测,按已知储量和1970年的消耗率,地球上的煤资源将在2300年内耗竭,石油的耗竭年限约30年,天然气约40年.这一估计也许过于悲观了,但石化资源的总量是有限的,依靠常规能源,在不久的将来能源危机将不可避免.112　核能真的可怕吗?1938年,德国科学家哈恩发现了核的裂变现象.4年后,费米建成了世界上第一座热中子裂变反应堆.1952年,在前苏联奥勃宁斯克建成了5MW 试验核电站,从此,人类进入了核能的时代.目前,世界上正在运营的核电站达到426座,总装机容量为340GW ,占总发电量的23116%,世界主要国家的核电份额分别为:法国75129%,比利时55177%,瑞典51113%,瑞士36184%,韩国35148%,西班牙34197%,日本30170%,德国29133%,英国25179%,美国21198%,俄罗斯11139%.我国核电的比例还比较小,仅为1149%.70年代中后期,世界上核电站的建设速度开始放慢,近年来甚至呈停滞状态(见图1).核能遇到了什么问题呢?究其原因,除由于70年代初石油危机的缓解外,1979年3月美国三里岛核电站放射性泄漏事故和1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故带来的冲击是一个重要的原因.人们谈核色变,染上了恐核症,在世界范围内掀起了反核的浪潮.这其实是一桩冤案!这两个事故均非“核”事故!美国1990年作过的抽样调查表明,三里岛核电站周围的居民没有受到事故的影响.切尔诺贝利核电站事故震惊了全世界,但事故中死亡的人数不过31人,而世界上因空气污染死于肺癌的人数远多于此,美国1930年死于肺癌的人数为2800人,1973年猛增至72000人.与煤、石油、天然气等常规能源相比,核电确实更加安全,更加干净.图1　世界核电建设情况(1951-1991)113　常规核电不是最理想的核能尽管与常规能源相比核电更安全、干净,但人们对它的挑剔也不是没有道理的,这一核电系统有它本身不易解决的问题:首先,作为燃料的铀2235天然丰度仅为0172%,而天然丰度为99128%的铀238因热中子几乎不能引起其裂变而不能利用.因此,常规核电站的资源利用率很差.在最理想的情况下(即考虑乏燃料中裂变材料的回收利用),铀资源的利用率只能达到1.5%,若计及各种损耗,则一般只能利用1%左右.此外,它产生大量的半衰期为百万年以上的长寿命放射性废物.如何处置这些长寿命放射性废物的问题还没有完全解决.目前采用的方法是将其深埋于地下,但由于地下水的侵蚀、地震、火山喷发、人员侵入等因素,这些放射性废物可能渗入生物圈,危害人类.如何在百万年的时间尺度上安全地管理这些长寿命放射性废物,使其不危害我们的后代子孙,这是一大难题.再有,常规核动力堆达到超临界状态时虽然不会发生象原子弹那样的核爆炸,但可能烧熔堆壳,造成严重的放射性泄漏.为了避免这类超临界事故发生,不得不设计复杂的工程安全设施和控制系统,这增加了核电的成本.最后,反应堆运行过程中可产生钚2239、镎2237和镅2241,243,这些同位素可用于军事目的,有核扩散危险.常规核能本身存在的上述问题确实限制了核能的发展,它还不是最理想的能源.原则上聚变能的应用将能彻底地解决人类的能源问题,但它的实际应用还是很遥远的事.目前国际上对聚变能源的研究已投入数百亿美元,但仍处于基础研究阶段.因此在今后几十年内,人类还要发展裂变能的应用.本文介绍的新一代干净的核能系统———加速器驱动的次临界堆(简称为驱动堆),可以在很大程度上解决常规核电的上述问题.驱动堆将20世纪最重要的两大核科学装置加速器和反应堆两者结合起来,构成了新的更安全、更干净、更便宜的核能系统.2　驱动堆的原理和结构211　从高能粒子探测器得到的启发在粒子物理实验中,采用“量能器”测量高能粒子的能量.它由逐层相同的重物质与电离辐射探测器构成.用这种量能器测量高能电子或γ射线时,在重物质中产生电磁簇射,把各层探测器中所得能量相加,即为初始粒子的能量.在测量强子时,情况则有所不同.当重物质采用非裂变物质(如钨、铅等)时,探测器所记录的能量之和小于入射强子能量;当重物质改用铀、钍等裂变材料时,探测器所记录的能量之和大于入射强子能量,有时甚至可大30%—50%!其原因在于,强子在和非裂变物质的核作用过程中,产生的中子带走一部分无法记录的能量;若使用裂变物质,则由于裂变而产生附加能量.诺贝尔奖金获得者卡・鲁比亚(C.Rubbia )由此得到启发,如果用粒子加速器产生的中能粒子注入到一个次临界反应堆装置中,只要装置设计得合适,使“附加的能量”放大到有实用价值,则可以构成一个新型的核能系统.鲁比亚图2　驱动式核电站示意图形象地称此装置为“能量放大器”.212　驱动堆如何工作次临界装置的k eff <1,它本身不能像常规的反应堆那样以自持的形式运行,在无外源中子的情况下它很快会“熄火”.只有当外源中子注入时,它才能在k eff <1的情况下维持运行.外源中子靠粒子加速器产生的中能质子轰击重靶通过散裂反应提供,两者结合成为驱动堆.我们现在看一看驱动堆是如何工作的.如果加速器的流强为20mA ,每个质子可产生30个中子.那么由驱动器和中子产生靶提供的外中子源将有3.6×1018中子/s.假设次临界装置的k eff =0.98,那么这部分外中子将放大1/(1-k eff )倍,即放大50倍,在次临界装置内形成～1015中子/cm ・s 的稳定中子通量.若以铀2238或钍2232作为燃料,在次临界装置中会发生下面的过程:铀2238+中子→铀2239(β-衰变)→镎2239(β-衰变)→钚2239钍2232+中子→钍2233(β-衰变)→镤2233(β-衰变)→铀2233即将热中子几乎不能引起裂变的铀2238或钍2232转变为裂变截面较大的钚2239或铀2233.然后通过钚2239或铀2233的裂变输出能量.与常规核电站不同的是,次临界装置不必满足k eff =1的苛刻条件,对堆芯参数变化不灵敏,因而可以在堆芯装添长寿命放射性废物,利用装置内的强中子场将其嬗变,即将长寿命放射性废物转变为短寿命的.确实如鲁比亚设想的那样,这样的驱动堆具有能量放大的功能.计算表明,对于以钍为燃料的快中子驱动堆,能量放大倍数可达到150.这意味着,一个功率为10MW 的加速器可以驱动功率为1500MW 的驱动堆式核电站!图2给出了鲁比亚设计的驱动堆式核电站示意图.在这个设计中,整个中子产生靶和次临界装置被埋在地下.回旋加速器提供的1215mA ,1G eV 的质子从次临界装置顶部注入.次临界装置的包壳内充满了液态的铅,液铅既是中子产生靶,又是慢化剂和冷却剂.燃料组件采用二氧化钍固体栅元结构;这样构成的一个单元可以输出675MW 的电功率.213　驱动堆的优点与常规核电站比较,驱动堆具有下面的优点:(1)由于可以通过燃料的自增殖烧铀2238或钍2232,从而可以提高资源利用率几十倍.且可以一次投料,长期运行;(2)对于快中子驱动堆,由于快中子俘获截面远低于热中子,通过俘获中子生成的长寿命放射性超铀核素的水平大大低于常规的核电站.即使是热中子驱动堆,由于钍2232要吸收6个以上的中子才有可能通过β衰变生成超铀产生放射性核素,由于驱动堆本身具有嬗变能力,其产生的长寿命放射性超铀核素的水平也低于常规的核电站.这样就降低了放射性废物深埋储存的长期风险,简化了后处理化工流程;(3)由于其k eff <1,它不会发生超临界事故.驱动堆这一固有的安全性质减少了对工程安全设施和操作人员人为干预的依赖;(4)不会产生武器级的核材料,有防核扩散能力;图3　不同能源发电成本比较 (5)比较便宜.据估计,其发电成本为每度电118美分,这远低于煤电等常规能源的成本,亦低于常规的核能.由图3可以看出,由于可以烧铀2238或钍2232,不必使用昂贵的浓缩铀235,其燃料成本大为降低.正因如此,对驱动堆的研究近几年在国际上形成一个研究热点,并取得了很大的进展.3　驱动堆研究国际进展将加速器引入核能体系这一思想早在50—60年代就有人提出,但限于当时的加速器技术水平,这一思想难于实现.80年代末到90年代初,随着加速器技术水平的提高和常规核能本身的问题越来越突出,对加速器驱动的次临界堆的研究逐渐形成国际研究热点,召开了一系列国际会议.今年6月在瑞典召开的第二次加速器驱动的嬗变技术及其应用国际会议,有来自24个国家的207名代表参加.会议参加者的学术和工作背景非常宽,涉及了核物理、加速器、堆工、核化学、材料等领域,还有一部分代表来自政府机构、国际组织和大型工业集团.各主要工业国家都开展了这方面的研究.表1列出了目前国外几个重要研究计划的简要情况.从表1可以看出,目前国际上的驱动堆研究处于概念设计阶段.今后驱动堆研究将从概念设计阶段转入概念设计的实验验证阶段.表1　国外重要研究计划简表计划名称/国别ATW/美国OMEG A/日本EA/欧洲次临界装置的堆型和能谱熔盐堆热中子固体组件快中子熔盐堆快中子固体组件快中子中子通量(中子/s・cm2)10165×1015能量增益15132175 k eff0.890.920.98加速器类型和指标直线加速器0.8G eV,100mA直线加速器1.5G eV,39mA直线加速器1.5G eV,25mA回旋加速器1G eV,12.5mA中子产生靶液态铅-铋靶固态钨靶液态氯盐靶液态铅靶嬗变能力3等效半衰期:MA小于0.01年FP小于15年　每年烧掉250kg MA等效半衰期:　“脏”钚为10年研究状况物理概念经济分析工程概念物理概念经济分析 3　指回收乏燃料中的铀、钚同位素后仍残留在高放废液中长寿命放射性废物,其中MA为少锕系核素,FP为裂变产物. 1995年春,在中国核工业总公司支持下,中国原子能科学研究院成立了放射性洁净核能系统(简称RCN PS)研究组,开展了RCN PS的物理概念可行性研究和次临界装置的分析计算,这个课题组的研究进展反映在1996年初在北京召开的“RCN PS研讨会”上.这个课题组研究的基本结论是:快中子能量放大器(FEA)与热中子能量放大器(TEA)相比具有功率输出大、长寿命超铀放射性废物的积累水平低、裂变产物毒性的影响小等优点,这些优点在铀→钚系统中十分明显.对于钍→铀系统,TEA和FEA都是可以工作的,而对于铀→钚系统, FEA则是合理的选择.总的来说,我国的RCN PS研究处于物理概念可行性研究阶段,起步还不晚.与美国、日本、欧洲相比,我们的主要差距在于经费和研究力量的投入都不够,因而基础性的工作较少.4　驱动堆的前景展望411　驱动堆研究的动力驱动堆研究涉及20世纪两大核科学装置:加速器和反应堆.这一新的核能系统具有产生能量、嬗变核废料和系统本身放射性较为洁净以至可以大大简化核废料的最终处置的性能,同时加速器驱动的散裂中子源本身也有着广阔的应用前景.因而即使不考虑核扩散问题,驱动堆也有着足够的正面推动力.驱动堆的研究为核能、核技术乃至整个核科学领域提供了一次机遇.驱动堆的研究在90年代初以来进展很快,由于驱动堆的发展可以大量借用现有核工业体系的成熟技术,它很有可能在聚变堆进入商业应用之前成为新一代的核能装置.412　我们应该采取的行动我国是世界上少数几个自成体系的核工业国家.我国经济的快速发展对能源需求的缺口只能靠核能来补充,这一点已是国内能源专家的共识.目前我国核电的比例还很小,对于驱动堆这一新兴的有前途的先进的能源系统,应该采取积极的态度.我们有可能在核电的起步阶段就作出长远的规划,融常规核能和驱动堆为一体,规划出更为合理的核电及燃料循环系统.根据我国现有国情,应该以作为能源用的驱动堆为研究目标,这一研究目标对加速器的技术要求也相对较低(1G eV ,10—20mA 的质子加速器).对于强流加速器基础技术应该及早安排,作必要的技术储备.在概念设计阶段的早期,一些工程有关的基础性工作应该同步进行,如材料研究、反应性的控制等.总而言之,对于驱动堆这一新型的先进核能系统的研究,我们应该采取行动.高温超导磁悬浮与飞轮储能3汪京荣　吴晓祖　周　廉(西北有色金属研究院,西安　710016)3　1995年12月4日收到初稿,1996年9月9日修回摘　要旋转飞轮的动能储存可以有多种的用途,飞轮储能装置的效率取决于轴承摩擦损耗的降低.高温超导磁悬浮具有自稳定性,有可能用以制造飞轮储能用的无摩擦非接触被动磁性轴承.文章分析了超导磁悬浮的起因和特性,评介了目前高温超导Y BaCuO 材料的水平,分析了用作飞轮储能的磁性轴承的设计考虑及有待解决的问题,最后介绍了国外的研究动态.关键词高温超导,飞轮储能,磁悬浮轴承1　飞轮储能与超导磁轴承继1986年发现超导转变温度T c 为40K 的超导体之后不久,中国、美国和日本等国科学家相继发现了一系列可以工作在液氮温区的超导体系列,通过这些年的研究,其中最有希望得到实用的体系包括Y Ba 2Cu 3O 7(T c =92K ),Bi 2Sr 2Ca 2Cu 3O 10(T c=110K )和T12Ba 2Ca 2Cu 3O 10(T c =125K )等体系.这种经济上和技术上的巨大潜力,促使很多国家,尤其是发达国家投入巨额资金、大量人力和最先进的技术装备,展开应用开发的激烈竞争.在这些努力下,世界上与超导有关的行业,包括公司、厂商、大学、实验室等,正在致力于开发各种应用所需的许多装置,如超导储能系统(SM ES )、发电机、输电电缆、故障电流限制器和大电流引线等.这些强电领域的应用,主要利用的是高温超导体的大电流承载能力,以其临界电流密度J c 为表征,这是强电应用的关键参数,同时需要将导体制成线(带)材,并绕成线。

中国加速器驱动次临界系统主加速器初步物理设计

中国加速器驱动次临界系统主加速器初步物理设计闫芳，李智慧，唐靖宇(中国科学院高能物理研究所，北京100049)摘要：中国加速器驱动次临界系统(C-ADS)计划采用一个平均流强为10mA的连续波质子加速器作为次临界堆的驱动器，驱动加速器的束流功率为15MW，最终能量1.5GeV，其中主加速器是驱动加速器的一个重要部分，完成束流能量从10MeV到1.5GeV的加速，所有加速腔均采用超导结构。

为了避免频繁束流中断对反应堆的损坏，设计要求驱动加速器在运行过程中束流可以中断的次数非常有限，因此加速器在设计过程植入了容错机制，尝试了各种可能的方法以最大程度地满足C-ADS加速器的高可靠性和稳定性的要求。

介绍了C—ADS主加速器的基本设计：总长度306．4 m，束流的归一化RMS发射度增长控制在5％以内。

总结了各个重要参数选择过程中的考虑以及整个加速段多粒子跟踪模拟的束流动力学结果。

关键词：中国加速器驱动次临界系统；连续波；质子；超导直线加速器；容错机制；束流动力学中国加速器驱动的次临界系统（C-ADS）计划是解决核废料和核燃料问题的一个重要的战略研究。

一个1.5GeV电子直线加速器计划建成作为C-ADS的驱动程序加速器。

它包括两个主要部分：注射器和主加速器的主要部分。

高能物理所（IHEP）和近代物理研究所（IMP）合作，在20年内构建驱动程序加速器。

IMP负责注射器2，它基于162.5兆赫的射频四极（RFQ）和超导半波谐振器（HWR）的空腔，高能所负责的是基于325 MHz RFQ和轮辐腔的主直线加速器和注射器1。

这两个注射器将被独立设计和建造。

最后只有一个计划将被选择并且两个相同的注射器将作为彼此的热待机备用。

主直线加速器的设计将根据喷射器的选择进行调节。

虽然目前的主加速器的设计是基于注射器I框架，设计原则和方案是根据同时两个注射器的条件考虑。

1、设计原则在大电流的射频（RF）线性加速器的现有设计中，聚束粒子束不处于热平衡[1]。

加速器驱动的次临界10MW气冷快堆物理方案研究

ｆｅａｔｕｒｅｗｉｔｈｄｅｅｐｓｕｂ～ｃｒｉｔｉｃａｌｓｔａｔｕｓｉｎｈｙｐｏｔｈｅｔｉｃａｌａｃｃｉｄｅｎｔ．Ｔｈｅｔｏｔａｌｂｕｒｎｕｐｉｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｐｈｙｓｉｃａｌｓｃｈｅｍｅｄｅｓｉｇｎＯｆａ１０ＭＷａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ — ｄｒｉｖｅｎｓｕｂ— ｃｒｉｔｉｃａｌｇａｓ — ｃｏｏｌｅｄｆａｓｔｒｅａｃｔｏｒｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｐｒｏｇｒａｍＣＯＵＰＬＥ２．０ｗａｓａｐｐｌｉｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｐｌｅｓＭＣＮＰＸａｎｄＯＲＩＧＥＮ．Ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｋｏｆ｛，ｐｒｏｔｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，
ｂｕｒｎｕｐｔｉｍｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓａｆｅｔｙｆｅａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｙ
ｆｕｒｔｈｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｔｈｅ３５０ｄｂｕｒｎｕｐｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｍｕｔａｔｉｏｎ

加速器驱动次临界系统

三.ADS的发展现状及趋势
目前国际上关于ADS的学术交流、研讨会及科技合作日益活跃与频繁，欧盟各国以及美、日、俄等核能科技发达国家均制定了ADS中长期发展路线图，正处在从关键技术攻关逐步转入建设系统集成的 ADS原理验证装置阶段。欧盟联合了40 多家大学和研究所等机构，充分利用现有核设施合作开展实验研究。如MUSE 计划开展ADS 中子学研究；MEGAPIE 计划开展MW级液态Pb—Bi 冷却的散裂靶研究；MYRRHA计划期望在2023 年左右建成由加速器驱动的铅铋合金(Pb—Bi)冷却的快中子次临界系统，其主要设计指标为功率85 MWth 的反应堆，600 MeV/4 mA的强流加速器，铅铋合金作为靶和冷却剂； MAX 计划的目的是为 MYRRHA 的加速器装置的最终设计方案提供第一手的实验与模拟数据；FRERA 计划主要专注于ADS 系统在线反应性监测方法的实验验证。
五. ADS未来展望
ADS系统是为解决核裂变能可持续发展所面临的核废料安全处理处置而提出来的，ADS 系统除在核废料嬗变方面有独特的优势，其在增殖和产能方面也有巨大的潜力。在中国科学院先导专项实施的基础上，进而提出了ADANES的全新概念和方案，并基本完成了原理的模拟试验验证。 ADANES 将充分发挥ADS 系统增殖和产能的潜力，提高核能资源的利用效率，使基于铀资源的核裂变能成为可持续数千年的低碳排放、安全可靠、高性价比、防核扩散的战略能源，应成为我国ADS 研究的未来发展方向。如果得到国家及时和稳定的支持，有望在2022 年左右基本完成乏燃料循环利用验证以及ADS 燃烧器原理样机(10 MWth)等阶段性工作，引领国际核裂变能的创新发展，并在2030 年左右实现工业级示范。

加速器驱动快_热耦合次临界系统的概念设计

文章编号:1007-4627(2006)02-0105-06加速器驱动快/热耦合次临界系统的概念设计3蒋校丰1,谢仲生2(1上海交通大学核科学与系统工程系,上海　200030;2西安交通大学核科学与技术系,陕西西安　710049)摘　要:对加速器驱动快/热耦合次临界系统进行了概念设计研究。

在该系统中,内区的快包层和外区的热包层是相互独立的,快、热包层之间为空腔和B 4C 包层以实现单向耦合。

快包层装以合金(MA +Pu )Zr 为燃料,热包层初始循环装以氧化物(Th +Pu )O 2为燃料,平衡循环装以(Th +233U +Pu )O 2为燃料。

99Tc,129I 和135Cs 分别以单质、Na I 和Cs Cl 的形式装入热包层。

该系统具有较高的能量放大倍数、嬗变效率和燃料转换比:系统能量放大系数不低于320;锕系元素(MA )和裂变产物(FP )的嬗变支持比分别为1个和2个压水堆;热包层的燃料转换比为0.715。

关键词:快/热耦合;嬗变;能量放大;增殖;支持比中图分类号:T L329+.2 文献标识码:A1　引言加速器驱动快/热耦合次临界系统(ADFTS )主要由加速器、散裂靶、快中子包层和热中子包层4部分组成,其基本工作原理是:加速器产生的高能质子在散裂靶区发生散裂反应,产生大量散裂中子驱动快包层,使散裂中子倍增,以产生更多的中子泄漏到次临界的热包层。

因而快包层对散裂中子具有放大的作用,相当于快中子倍增器。

图1给出了该系统的示意图。

图1　加速器驱动快/热能谱次临界系统示意图在对ADFTS 进行了初步性能研究[1]的基础上,本文提出了一种详细的概念设计方案,即将ADFTS　第23卷　第2期原子核物理评论Vol 123,No .2 2006年6月Nuclear Physics Revie wJun .,2006　3收稿日期:2005211220;修改日期:2006201209 3　基金项目:国家自然科学基金资助项目(10505014) 作者简介:蒋校丰(1976-),男(汉族),浙江诸暨人,讲师,从事反应堆堆芯燃料管理工作;E 2mail:jxf@sjtu .edu .cn设计成为高效率的嬗变炉、高倍数的能量放大器和高转换比的钍2铀燃料反应堆。

加速器驱动的次临界系统

电厂造价低，技术成熟。
产生的二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物、一氧化碳和颗粒物等带来环境问题；资源有限，燃料费高，约占发电成本的40%～60%。
水电
无污染。
水力资源有限，水力发电随季节变化很大。
风电、太阳能、地热、潮汐能
无污染。
只能在一定条件下有限开发，很难大量使用。
现阶段核电缺点

美国 20.2%（101.1GWe）
法国 75.2%、日本 28.9%
德国 26.1%、瑞士 39.5% 瑞典 34.7%、俄罗斯 17.8% 韩国 34.8%、…
核电装机容量前15国
2005年3月，国务院把我国核电发展政策由
“适度发展”修改为“积极发展”„
运行：10.234GWe/13座反应堆在建：25.90GWe/23座反应堆筹建：44.27GWe/39座反应堆建议：120.0GWe/120座反应堆中长期目标预测 2020 70GWe (占总容量5~6%、总发电量 7%) 2030 200GWe (占总容量10%、总发电量15%) 2050 400GWe (占总容量16%、总发电量22%)
A D S 的固有安全性和优点
强流加速器
ADS系统具有以下优点：在ADS的不同中子能量场中，可嬗变危害环境的长寿命核废物为短寿命的核废物，以降低放射性废物的储量及其毒性；而ADS本身在产能过程中，产生的核废物却很少，基本上是一种清洁的核能。
因为ADS是一个次临界系统,可从根本上杜绝核临界事故的可能性。具有固有安全性并可提高公众对核能的接受程度。
超高温气冷堆
超临界水冷堆
第四代核电站
钠冷快堆

加速器驱动次临界系统课件

放射成像
通过加速器驱动次临界系统产生的射线，进行医学影像诊断，提高诊断的准确性和可靠性。
加速器驱动次临界系统在其他领域的应用案例
工业应用
在工业生产中，利用加速器驱动次临界系统进行材料改性、表面处理等，提高产品质量和性能。
科学研究
在基础科学研究领域，利用加速器驱动次临界系统研究物质的基本性质和规律，推动科学技术的进步。
建立实验装置
包括加速器、靶、中子慢化剂、反射层等组成部分。
进行实验测试
测试系统的运行状态、中子通量、稳定性等性能指标。
分析实验结果
对比实验结果与预期，分析系统的优缺点。
改进和完善系统
根据实验结果进行改进，提高系统的性能和稳定性。
04
加速器驱动次临界系统的应
用案例
加速器驱动次临界系统在核能领域的应用案例
控制系统技术
控制系统负责监测和控制整个系统的运行状态，包括粒子的注入、能量和流强的调节、反应过程的监测等，需要高可靠性和稳定性的控制系统技术。
加速器驱动次临界系统的优势与局限性
优势
加速器驱动次临界系统可以实现高效、安全、可控的核能利用，同时具有较低的核废料产生和较小的环境影响。
局限性
该系统的建设和运行成本较高，技术难度较大，同时需要高度专业化的管理和维护。此外，加速器驱动次临界系统的规模通常较小，不适合大规模的商业核能应用。
05
加速器驱动次临界系统的未
来发展与挑战
加速器驱动次临界系统的未来发展趋势
高效能
随着科技的不断进步，加速器驱动次临界系统将朝着更高能级、更高效的方向发展，以满足更广泛的应用需求。
智能化
智能化技术将在加速器驱动次临界系统中得到广泛应用，实现系统的自动化、远程控制和智能诊断。

加速器驱动次临界系统嬗变少锕系核素

关键词加速器次临界系统少锕系核素嬗变
1 加速器驱动嬗变技术( ADTT) 发展概况
核电站在运行中将产生一定数量的放射性废物 , 其中长寿命放射性废物主要有两类 : 即
少锕系核素 (MA) 和长寿命裂变产物 (LLFP) 。热功率 1. 0GW 的压水堆 ( PWR) 中 MA 和 LLFP 的年产生量如表 1 所示。
3 MA 嬗变行为分析
为探讨 MA 在加速器驱动快中子次临界装置中的嬗变行为 , 我们对其嬗变进行了估算。 MA 嬗变链如图 1 所示[4 , 5 ] , 为计算方便 , 忽略超铀核素的α 衰变对 MA 的贡献 , 并对 242Am 和244Am 的同素异能体进行了简化处理。
图 1 MA 嬗变链
徐晓勤 : 加速器驱动次临界系统嬗变少锕系核素
0 2. 394 ×10 4
0 2. 39 ×10 4
——— 0
表 3 MA 嬗变产物成份的变化
3. 94 ×10 23 1. 139 ×10 4 0. 364 ×10 4 1. 503 ×10 4
0. 225 37. 2
7. 88 ×10 23 0. 519 ×10 4 0. 395 ×10 4 0. 914 ×10 4
核
半衰期/ a
年产生量/ kg
237 Np
2. 14 ×10 6
10. 06
241 Am
432. 6
11. 52
243 Am
738. 0
2. 36
99 Tc
2. 1 ×10 5
18. 9
129 I
1. 57 ×10 7
3. 92
135 Cs
2. 3 ×10 6
30. 35
注 : ①热功率 1. 0GW , 燃耗 33000MW ·d/ t , 负荷因子 70 %(冷却 10 年) 。

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创造性地提出了新型流态固体颗粒靶概念并完成初步设计。该方案融合了固态靶和液态靶的优点，通过固体小球的流动实现了靶区外的冷却，规避了液态铅铋合金靶放射产物毒害性高、温度—材料腐蚀效应严重以及固态靶热移除难等缺点，物理上具有承受几十兆瓦束流功率的可行性。
在材料研究方面，自主配方、自主研制的SIMP 钢是一种新型抗辐射、抗腐蚀的低活化耐热合金结构材料，其性能指标均优于或不亚于目前国际主流核能装置用抗辐照结构材料，有望成为一种新的核能装置候选结构材料。目前已实现5 吨级工业规模制备；同时开展了SiC 复合纤维材料研发，完成碳化硅纤维纺丝和不熔化装置设计、加工和组装。在核燃料制备方面，完成了铀纳米材料的制备和系列锕系有机化合物晶体的合成。
2. “加速器驱动嬗变研究装置”项目正式立项
2015 年 12 月，国家发改委正式批准“加速器驱动嬗变研究装置”(China Initiative Accelerator Driven System，简称CIADS)的立项。 CIADS 是国家“十二五”期间优先安排建设的16 个重大科技基础设施之一。其主要设计指标为：强流质子加速器质子束流能量 250 MeV、束流强度10 mA，实现连续波(CW)工作模式，并具备可升级到更高能量的能力；高功率颗粒流散裂靶最大可承载质子束流功率2.5 MW，具备与加速器和次临界堆耦合工作的能力；液态铅铋次临界堆在加速器中子源驱动下的最大热功率可达10 MW(含质子束流功率2.5 MW)，并留有实验孔道开展嬗变等相关实验研究。
CIADS建成后将成为世界上首个兆瓦级加速器驱动次临界系统研究装置。目前， CIADS 项目建设地点已确定为广东省惠州市惠东县东南沿海，中国科学院已同广东省人民政府签署协议，并成立院省领导小组，共同推进项目建设。
3. 加速器驱动先进核能系统(ADANES)新概念的形成随着ADS先导专项研究的推进和各项突破性科研成果的取得，对于 ADS 系统在核燃料增殖和产能方面的巨大潜力的认识和理解也愈加深入。进而， ADS 研究团队对 ADS 发展路线进行了认真而又审慎的再思考，在一系列原理模拟验证和技术路线深入调研的基础上，科研人员勇于突破原有的发展思路，创造性地提出了 “加速器驱动先进核能系统 (Aaccelerator Driven Advanced Nuclear Energy System，ADANES)” 的全新概念和研究方案
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三.ADS的发展现状及趋势
目前国际上关于ADS的学术交流、研讨会及科技合作日益活跃与频繁，欧盟各国以及美、日、俄等核能科技发达国家均制定了ADS中长期发展路线图，正处在从关键技术攻关逐步转入建设系统集成的 ADS原理验证装置阶段。欧盟联合了40 多家大学和研究所等机构，充分利用现有核设施合作开展实验研究。如MUSE 计划开展ADS 中子学研究；MEGAPIE 计划开展MW级液态Pb—Bi 冷却的散裂靶研究；MYRRHA计划期望在2023 年左右建成由加速器驱动的铅铋合金(Pb—Bi)冷却的快中子次临界系统，其主要设计指标为功率85 MWth 的反应堆，600 MeV/4 mA的强流加速器，铅铋合金作为靶和冷却剂； MAX 计划的目的是为 MYRRHA 的加速器装置的最终设计方案提供第一手的实验与模拟数据；FRERA 计划主要专注于ADS 系统在线反应性监测方法的实验验证。
加速器驱动次临界系统
Accelerator Driven Sub-critical Systems
2016/12/19 蒋伟
目录
加速器驱动次临界系统(ADS)的研发背景加速器驱动次临界系统(ADS) ADS的发展现状及趋势 ADS先导专项研发进展 ADS未来展望
一.加速器驱动次临界系统(ADS)的研发背景
1.核裂变能的快速发展
发展清洁能源是我国及全球能源可持续发展的战略选择。核裂变能是技术成熟的清洁能源，具有高效、低碳排放、安全可靠和可规模生产的突出优势，是解决未来能源供应、保障经济社会可持续发展的战略选择。
2.乏燃料与核废料
要实现核裂变能的快速、可持续发展，在确保安全的前提下必须解决两个重大问题：核燃料的稳定可靠供应和乏燃料(尤其是其中的长寿命高放射性核废料)的安全处理和处置。后一个问题是我国乃至国际核能界无法回避的重大问题，也是尚未解决的世界性难题。 3.核燃料的“分离—嬗变”循环策略根据乏燃料和高放射性核废料处理处置方式的差异，国际上主要有三种核燃料循环模式：一次通过的“开环”模式，铀/钚再利用(MOX燃料)的 “闭式循环”模式，和“分离—嬗变”(partition—transmutation)闭式循环模式。
1. 国外的发展现状及趋势
2. 我国ADS研究现状及发展路线
四. ADS先导专项研发进展
1 . ADS单项技术突破 ADS超导质子直线加速器系统的各单项技术已实现突破，开始向系统集成研究阶段转换。在单项技术突破方面，成功研制了高稳定度的强流质子源； 162.5 MHz@2.1 MeV ADS 射频四极加速器是国际上第二个超过10 mA的连续波质子束射频四极加速器，也是目前国际上稳定运行的连续波离子束射频四极加速器中束流强度最高的；325 MHz @3.2 MeV ADS 射频四极加速器束流平均功率位于世界最高；研制的Spoke 超导腔的测试性能指标达到了国际先进水平。在系统集成方面，实现了7 个超导腔稳定加速能量为6.05 MeV、流强为10.4 mA的脉冲质子束，是国际上首台由多个Spoke 超导腔构成的低能量段加速装置；实现连续波模式运行，束流强度达到3.9 mA，最长运行记录为7.5 小时，标志着我国在ADS系统研究领域的创新研发能力达到国际领先水平。
参考文献 [1]Wakabayashi T et al. Nuclear Technology，1997，118：14 [2] IAEA. Implications of Partitioning and Transmutation in Radioactive Waste Management，IAEA-TECDOC-435，2004 [3] Kadi Y，Revol J P. Design of an Accelerator-driven System for the Destruction of NuclearWaste. LNS0212002，2001 [4] Stanculescu A. Accelerator Driven Systems (ADS) and Transmutation of NuclearWaste：Options and Trends. LNS015022，2000 [5] 何祚庥. 世界科技研究与发展，1996，6：1 [6] Andriamonje S et al. Physics Letters B，1994，348：697 [7] Arnould H et al. Physics Letters B，1999，458：167 [8] Abderrahim H A et al. WIREs Energy and Environment，2014，3(1)：60 [9] 戴光曦. 科技导报，1996，8：38 [10] 戴光曦. 核物理动态，1996，13(4)：53 [11] 丁大钊，方守贤，何祚庥. 中国科学院院刊，1997，(2)：116 [12] 赵志祥，丁大钊. 物理，1997，26(4)：221
二.加速器驱动次临界系统(ADS)
1.ADS概念的形成
由Brookhaven 国家实验室H.Takahashi 和G.VanTuyle 领导的研究团队最早在80 年代的后期发展起来的具有现代意义的、旨在探索先进核能系统、提高核安全和解决核废料安全处置的ADS的概念。 1991 年，Los Alamos 国家实验室的C. Bowman 第一个给出了嬗变装置的详细设计方案，该方案利用来自加速器的高能质子束流产生散裂中子去驱动次临界、热中子反应堆，目的是实现核废料嬗变与核能发电。此外，Brookhaven国家实验室的H.Takahashi 提出了基于快中子次临界包层的设计方案，其主要目的是焚烧次锕系核素。 1993 年，Carlo Rubbia 和他领导的工作团队提出了“能量放大器” 的概念。这是一个基于铀—钍循环的次临界核能系统，通过一个强流质子加速器产生的外中子源驱动进行核能发电，同时大大减少次锕系核素和长寿命裂变产物的量。随后开展了一系列实验研究，验证了加速器驱动次临界系统的原理与可行性[6，7]。
2.ADS的属散裂靶和次临界反应堆三大分系统组成，它集成了20 世纪核科学技术发展的两大工程技术——加速器和反应堆技术。其基本原理是，利用加速器产生的高能强流质子束轰击重核产生宽能谱、高通量散裂中子作为外源来驱动次临界堆芯中的裂变材料发生链式反应。散裂中子和裂变产生的中子除维持反应堆功率水平所需以及各种吸收与泄露外，余下的中子可用于核废料的嬗变或核燃料的增殖。次锕系核素与快中子发生裂变核反应，生成半衰期较短和毒性较小的裂变产物；长寿命裂变产物的嬗变主要通过热中子俘获、衰变等核反应过程生成短寿命或稳定的核素。如99Tc 俘获一个中子后生成半衰期为15.8 s的100Tc，再经过β衰变后变成稳定核素100Ru；129I 中子俘获生成半衰期为12.4小时的130I，最终经过β衰变至稳定核素130Xe。
3. ADS的技术挑战
目前世界上尚无建成ADS集成系统的先例，这在一定程度上阻碍了 ADS技术的深入研究，特别是系统集成及核废料嬗变的实验验证等方面的研究。 ADS次临界反应堆系统面临的主要问题为散裂中子源带来的堆芯内功率分布不均匀，新型冷却剂的热工及材料相容性，加速器失束时对反应堆的热冲击，长时间强中子辐照等极端环境下的燃料元件及材料问题等。同时还要解决ADS的核燃料所涉及的乏燃料的铀、钚分离，次锕系核素的分离以及新型燃料组件的制备等难题。
五. ADS未来展望