摘要：在“ADS嬗变系统”这种技术面前，困扰人类的乏燃料处理问题，铀资源短缺问题，未来能源问题，似乎都不再是问题，简直神乎其技。目前国际上尚未有工程化应用的先例，6月10日顺利通过了中国科学院组织的现场测试，各项关键技术指标满足全部设计要求，并基于此在国际上首次提出一种新核能系统——加速器驱动先进核能系统（ADANES），有望使核裂变能成为可持续近万年、安全、清洁的战略能源。

 

 

 

 

事实上这已经是ADS技术的第二次刷屏。早在去年12月23日，中国核工业集团公司网站发布消息，我国核反应堆零功率装置“启明星II号”实现首次临界。

 

对于大多数普通人来说，ADS是一个完全陌生，甚至是闻所未闻的技术。在这种技术面前，困扰人类的乏燃料处理问题，铀资源短缺问题，未来能源问题，似乎都不再是问题，简直神乎其技。但是ADS倒是是什么技术，是如何实现对乏燃料的高效利用的，这种技术什么时候能成熟，别急，马上为你一一解读。

 

 

 

ADS全称是“（质子）加速器驱动次临界（嬗变反应堆）系统”，顾名思义，该装置是用质子加速器驱动的，自身处于次临界状态的，可以实现多种重核元素嬗变的反应堆系统。

还是不懂？不要紧，继续往下看。

 

 

什么是次临界？我们可以用火堆来打个比方。一个火堆，我们不管它，如果它越烧越旺，这就叫做超临界，如果它一直处于不旺也不灭的稳定状态，这就叫临界，如果必须为它添柴，否则它就熄灭，这就叫做次临界。

ADS的主要结构就是一台质子加速器和一座次临界反应堆。

次临界反应堆就是这种不加外部干预就会熄火的反应堆。我们知道，普通反应堆内靠中子维持裂变反应，中子就相当于维持反应堆燃烧的“柴”，普通反应堆的链式反应会持续不断的产生中子，使得反应堆一直处于临界状态，源源不断地输出巨大的裂变能。而ADS中的次临界反应堆不一样，它虽然在裂变反应中产生中子，但是同时会产生大量的中子吸收物质，使得该反应堆不能靠自身的中子维持燃烧状态，要维持“燃烧状态”，就必须补充外源中子，如何补充外源中子呢？这就靠质子加速器了。

 

质子加速器是ADS的另外一大神器。次临界反应堆堆芯中设有金属中子靶，反应堆外部设有质子加速器，这就构成了一个“中子生成器”，源源不断的向“燃烧着的”反应堆里填“柴”。质子加速器能将质子加速至高能状态，然后导入反应堆，当高能质子轰击金属靶时，金属靶的金属原子核被击碎，即发生散裂反应，此反应中，会生成大量的中子。质子加速器轰击生成中子的效率极高，一个质子可以在金属靶上生成约30个中子。这些中子在次临界反应堆堆芯散开，就像给即将熄灭的火堆上浇上一桶汽油，反应堆瞬间如打了鸡血运行起来，和普通反应堆一样产生大量的裂变能发电。

 

 

 

有人可能会问，为什么要发展这种特立独行的反应堆呢？这就谈到了ADS的最重要作用，处理乏燃料。

所谓乏燃料，就是普通反应堆“燃烧”核燃料后产生的废弃物。乏燃料含有大量高放射性物质，这些物质主要上是锕系和镧系的重核元素，这些元素不仅放射性强，而且半衰期也很长，需要存放十万年这些元素才能衰变至对环境不产生影响。为了长时间存放这些高放射性乏燃料，必须建造寿命达十万年之久的坚固掩体，这也就是俗称的乏燃料地质深埋处置方式，

 

例如，芬兰正在建造的乏燃料地质贮存场预计耗资达40亿欧元以上，且仅仅够贮存芬兰的四座核电站的乏燃料。美国的尤卡山地质贮存场也耗资300亿美元以上。面对世界上巨量的乏燃料，如果单靠地质处置，不仅技术困难，而且耗资将是一个天文数字，几乎成为各国核电发展不可承受之重。

 

同时，所谓乏燃料，其实其中还有大量的有用元素，如钚和铀等，若直接废弃，将是资源的极大浪费，所以普通反应堆产生的乏燃料依然是宝贵的资源。但是目前的后处理器技术，从乏燃料中提取钚和铀不仅风险高，效率低，而且还会产生大量的化学放射性废液，这些废液处理也是一个棘手问题。

 

如何让乏燃料的放射性短时间内消失，同时又能高效利用乏燃料中的有用元素且不产生新的废物呢？这就得靠ADS技术了。

ADS技术，正是为了解决以上问题而提出来的。ADS好比一个乏燃料焚烧炉，在外源中子的轰击下，它能将几乎所有锕系和镧系重核元素作为裂变元素利用，这些元素裂变后生产的轻核元素，要么是无放射的元素，要么是半衰期很短的放射性元素。因此，经过ADS焚烧过的乏燃料，大大缩短了乏燃料的存放周期和处理难度。

 

相比目前乏燃料地质贮存需要建造寿命达10万年的坚固掩体，有了ADS技术后，只需建造寿命几百年的掩体存放在ADS焚烧后的乏燃料，掩体建造和技术难度和耗资都将有数量级的下降，使得乏燃料处理不再成为困扰人类的难题。

 

同时，由于ADS对乏燃料进行了充分的“焚烧”，使得乏燃料中几乎所有的有用元素如钚和铀都得到了充分了利用，避免了稀有资源的浪费。如果将普通反应堆和ADS匹配建设，现有铀资源的利用率可以从1%提高至95%以上，使得目前探明储量的铀资源，由现有技术只能利用百年提高到用ADS技术使用万年的水平。这期间，人类有充分的时间研究聚变能，解决人类未来能源的终极问题。

 

作为反应堆，肯定有人会顾虑ADS反应堆的安全问题。因为ADS反应堆自身处于次临界状态，因此，一旦切断外部中子供应，反应堆便无法启动，所以ADS是比目前的商用反应堆更加安全的一种反应堆技术。

 

 

 

ADS技术虽然是一项全新的、甚至是革命性的核能技术，但是它脱胎于人类已经拥有的技术，某种程度上，ADS技术如核磁共振一样，是一项人类现有技术的组合创新结晶。

 

例如ADS的质子加速器技术早已有之，美国在强质子流方面有较多技术储备，很早就致力于用该技术生产氚。而次临界反应堆技术，各国的研究都是基于现有的快堆或热中子堆（普通商用堆均是热中子堆）。目前世界各国关于ADS的研究，大多是基于现有的技术开始研究。世界上，如欧盟，日本，美国，俄罗斯差不多同时在上世纪末开始了ADS技术研究。

 

但同时，ADS技术又是一项前沿技术，虽然原理简单，但是在技术实现上面临着很多难题。例如，大型质子加速器的制造，高性能中子靶的制造，次临界反应堆的功率展平问题，反应堆的冷却问题，材料问题，反应堆的燃料制造，这些都是ADS需要解决的关键技术问题。

 

我国ADS技术研究始于上世纪90年代中期，相对来说起步较晚。但是晚有晚的好处，这样可以充分分析国际上在ADS上已经取得的成果和走过的弯路，更快的让我国ADS技术走上正轨。

 

1996年至1999年间，我国开展了ADS研究概念研究和物理可行性研究，并在同一时期进行了“中能强流质子直线加速器”研究。随后，我国又开展了为期五年的“ADS物理和技术基础研究”。上述两项研究相互衔接，都顺利实现研究目标。

 

尤其是第二阶段的研究中，ADS的零功率装置“启明星一号”于2005年7月在中国原子能科学院研究所研制成功，成为了国际原子能机构开展ADS试验研究的基准装置，这也标志着我国ADS技术达到了国际先进水平。

 

2016年12月23日，中国核工业集团公司网站发布消息，我国核反应堆零功率装置“启明星二号”实现首次临界。“启明星二号”是我国自主研制的最先进的ADS系统，也是目前世界上最先进的ADS试验装置。

 

虽然“启明星二号”的成功标志着我国ADS研究已经处于世界先进水平，但是ADS毕竟是一个研究课题。“启明星二号”依然只是一个试验装置，离真正实现ADS技术的工业规模应用依然有很长的路要走，而且“启明星二号”也并非ADS技术的最优实现方案，而是在多年研究基础上，最经典和最先实现的方案。关于ADS研究，还可能有更加优化的技术方案。

 

而最新的方案便是近日刷屏的“加速器驱动先进核能系统（ADANES）”，中科院并没有给出这种方案的更多细节，但是从中科院介绍的“此技术方案已经通过了大规模的计算机模拟研究”，“完成了一系列实验验证”，“突破性进展”等信息，以及我国这些年来在ADS技术研究上稳步前进的现状，我们可以肯定，我国不仅是目前ADS研究水平最高的国家，而且未来也将是最先实现ADS工业推广的国家！

 

 

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