在先進核能路上披荊斬棘｜“率先行動”計劃

“外國做了沒有？別人做過沒有？”這兩句“靈魂拷問”，中科院近代物理研究所（以下簡稱近物所）所長徐瑚珊從前常常聽到。

2011年，中科院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“未來先進核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”啟動，這意味著，近物所與中科院高能物理研究所（以下簡稱高能所）、中科院合肥物質(zhì)研究院、中國原子能科學(xué)研究院等單位接下了一項沒有先例的任務(wù)。

近日，中科院公布了“率先行動”計劃第一階段重大科技成果及標(biāo)志性進展，“加速器驅(qū)動先進核能系統(tǒng)原理驗證及關(guān)鍵技術(shù)重大突破”榜上有名。

“雞蛋不要放在一個籃子里”

核能是目前最高效的能源，但隨核燃料裂變反應(yīng)產(chǎn)生的乏燃料，其放射性可持續(xù)幾萬年。ADS的提出就是為了解決這一問題，其全稱為加速器驅(qū)動次臨界嬗變系統(tǒng)，它就像一個乏燃料處理器，是質(zhì)子加速器、散裂靶和次臨界反應(yīng)堆的結(jié)合體。

這套技術(shù)路線早在上世紀(jì)就有科學(xué)家提出，其可行性受到國際公認。但受制于加速器、散裂靶發(fā)展水平、需要耦合多重復(fù)雜系統(tǒng)等原因，迄今為止還不曾有人成功驗證過。但全球持續(xù)增長的乏燃料總量、確保核能安全可持續(xù)發(fā)展始終是繞不開的問題。

“當(dāng)時真沒把握，成不成誰也說不準(zhǔn)。”ADS項目負責(zé)人之一、高能所研究員潘衛(wèi)民告訴《中國科學(xué)報》。

按規(guī)劃，ADS這條路要走通，需要經(jīng)過幾個階段：原理研究和關(guān)鍵技術(shù)突破、技術(shù)路線驗證、系統(tǒng)集成和原理驗證、形成工業(yè)示范和進行商業(yè)化推廣。ADS先導(dǎo)專項對應(yīng)著第一階段。而這一階段的重點之一，就是實現(xiàn)加速器關(guān)鍵技術(shù)的突破。

籌備立項時，國際上最先進的質(zhì)子加速器束流強度只有不到2毫安。而要實現(xiàn)嬗變乏燃料的目標(biāo)，不僅要有連續(xù)波束流，束流強度還要達到5~10毫安。

按計劃，ADS加速器采用超導(dǎo)直線加速器結(jié)構(gòu)，主加速器前端連接了兩臺可交替使用的注入器，束流在10~20兆電子伏的能量下，通過一段特殊的通道進入主加速器。

“雞蛋不要放在一個籃子里。”這是項目首席科學(xué)家、中科院院士詹文龍常說的一句話。為確保項目順利進行，同樣是突破加速器關(guān)鍵技術(shù)，近物所和高能所就走了兩條不同的路。

所幸的是，靠著前期的技術(shù)積累和不認輸?shù)钠床珓艃?，兩條路都走通了?！斑@是很了不起的事情?！毙旌魃罕硎?，這為下個階段的工作提供了更多技術(shù)選擇。

最終，加速器關(guān)鍵技術(shù)取得了一系列成果。

主加速器原理樣機集成了近物所和高能所兩大技術(shù)路線，在連續(xù)質(zhì)子束流超過2毫安、32千瓦功率下運行超100小時。高能所研發(fā)的基于輪輻型超導(dǎo)腔的注入器I，質(zhì)子束能量達10.67兆電子伏、脈沖流強達10.6毫安。

近物所研發(fā)的基于半波長超導(dǎo)腔的注入器Ⅱ，質(zhì)子束能量達10.06兆電子伏、脈沖流強達11.7毫安。這兩條技術(shù)路線研制出的樣機，均達到國際領(lǐng)先水平。

走在無人區(qū)

徐瑚珊用一句話形容項目中各單位的狀態(tài)：“大家都是走在無人區(qū)的戰(zhàn)友。”因為沒有先例、沒有現(xiàn)成經(jīng)驗可循，每一位項目參與者都經(jīng)歷過艱難考驗。

項目參與者、高能所特聘青年研究員閆芳畢業(yè)于中國原子能科學(xué)研究院，她始終記得老院長趙志祥的一句話：“科研人員一輩子，如果能在職業(yè)生涯中趕上幾個大工程、大項目，是非常幸運的。”

現(xiàn)在回頭看，閆芳作為高能所ADS束流動力學(xué)系統(tǒng)負責(zé)人，參與了ADS樣機研制，在國際上幾無先例。這無疑是一段充滿挑戰(zhàn)的回憶?！爸灰獏⑴c到項目中，知識面一下就會擴展?！薄　?/span>

2016年12月的一個夜晚，正在值班的閆芳第一次觀察到連續(xù)波束流持續(xù)了幾秒鐘。一邊盯著屏幕，她和同事的大腦一邊高速運轉(zhuǎn)，根據(jù)調(diào)試中的現(xiàn)象深挖背后的物理原理。

日日夜夜過去，他們最終將連續(xù)波穩(wěn)定到20多分鐘，調(diào)試成果有力地驗證了物理設(shè)計的可行性。

問及有何經(jīng)驗向當(dāng)下的年輕人傳授，閆芳答：“我會跟他們說，你要珍惜任何一個深入工程的機會，要努力、要堅持?！?/span>

近物所高功率靶研究室主任、研究員張雪熒也認為，親歷ADS先導(dǎo)專項可以用幸運來形容?！耙惠呑佑鲆娺@么好的一件事兒，只有努力才對得起機遇?！?/span>

張雪熒告訴《中國科學(xué)報》，調(diào)研國外的研究項目時，項目團隊意識到一個問題：中子的產(chǎn)生需要高功率液態(tài)金屬有窗靶，而分割束流和液態(tài)金屬靶界面的靶窗在束流通過后會受輻照損傷，材料性能會變差、壽命會變短。而在工業(yè)級ADS中，所需的束流功率比國際現(xiàn)有水平還要高一個量級。

“能不能用無窗結(jié)構(gòu)？或者采用新的靶介質(zhì)？”提出這個設(shè)想，意味著要徹底放棄國際慣用的散裂靶形態(tài)。

2013年，近物所提出了顆粒流散裂靶方案，以沙漏為靈感的靶能將固體顆粒輸送到靶作用區(qū)外換熱，保證作用區(qū)緊湊的同時，還能承受數(shù)十兆瓦束流功率。

為了實現(xiàn)這套方案，近物所凝聚起一支小分隊?！白鲭姶诺?、熱工的、材料的和計算的都在一起攻關(guān)?！睆堁苫貞洝?/span>

2017年下半年，靶研究團隊迎來了整個先導(dǎo)專項的尾聲——顆粒流散裂靶原理樣機專家測試實驗。連續(xù)幾十個小時的實驗中，小組里20多個年輕人全部在現(xiàn)場，實驗順利完成的那一刻，這些年輕人臉上的高興勁兒，至今印在張雪熒的腦海中。

開了個好頭

“近物所當(dāng)時參加ADS的力量，絕大部分都保留下來?！苯锼芯繂T何源曾是項目加速器注入器II的技術(shù)負責(zé)人，如今他已是加速器驅(qū)動嬗變研究裝置（CiADS）的項目總工程師。

他表示，作為國際上首個兆瓦級ADS嬗變技術(shù)集成驗證裝置，CiADS的建設(shè)離不開ADS項目的前期積累。

ADS專項全面展開時，共同參與的研究者有一千多人。在徐瑚珊看來，之所以能匯集這些人才，項目穩(wěn)定的經(jīng)費支持和清晰的頂層設(shè)計非常關(guān)鍵。由于研究工作沒有先例可循，許多路要靠摸索，必然會有調(diào)整技術(shù)路線和管理模式的時候。

項目開展到第三年時，近物所原創(chuàng)性地提出加速器驅(qū)動先進核能系統(tǒng)（ADANES）的新概念。與傳統(tǒng)ADS不同的是，ADANES能在嬗變核廢料的同時將鈾資源的利用率提高到95%以上，未來更具商業(yè)化前景。

相應(yīng)的項目概算調(diào)整并非小事，但徐瑚珊回憶，整個調(diào)整在不到一個月的時間內(nèi)完成。這在同等體量的項目中，實屬罕見。

未來，伴隨CiADS的建成，中國在加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)集成和核廢料嬗變的路上將再邁進一步。而ADS的順利收官，無疑為日后開了個好頭。

“我們一定要充分相信科學(xué)家”，經(jīng)歷了整個先導(dǎo)專項，徐瑚珊對這句話有著特別的體會?！扒捌诖蛳碌幕A(chǔ)不光是技術(shù)，還把隊伍拉起來了。如果國家支持，我們能做好?！彼硎尽?/span>