又一項(xiàng)大科學(xué)工程要在廣東開建了。

3月24日，“十二五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“加速器驅(qū)動(dòng)嬗變研究裝置(CIADS)”項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)方案通過評(píng)審。“如果進(jìn)展順利，今年年中將在廣東惠州動(dòng)工。”中科院院士、中科院原副院長詹文龍告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，建成后它將成為國際首臺(tái)加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(ADS)嬗變研究裝置。

從原理到工業(yè)化的“三步走”路線圖

我國的ADS研究可以追溯到上世紀(jì)90年代。1999年，“973”項(xiàng)目“加速器驅(qū)動(dòng)的潔凈核能系統(tǒng)的物理和技術(shù)基礎(chǔ)研究”啟動(dòng)實(shí)施。與此同時(shí)，中科院重點(diǎn)支持了超導(dǎo)加速器的技術(shù)和抗輻射材料的研發(fā)，結(jié)合院內(nèi)相關(guān)所的優(yōu)勢部署了重大項(xiàng)目“ADS前期研究”。

“起初許多人并不看好，但隨著研究的推進(jìn)，大家覺得這個(gè)方向還是很有前途的。”較早參與ADS研究的中國原子能科學(xué)研究院研究員史永謙說。

ADS實(shí)際上是加速器和反應(yīng)堆的“結(jié)合體”。中科院近代物理研究所研究員楊磊告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，ADS可嬗變危害環(huán)境的長壽命核廢物為短壽命的核廢物，以降低放射性廢物的儲(chǔ)量及其毒性;ADS具有潛力，在產(chǎn)能過程中產(chǎn)生很少量的核廢物。

隨著乏燃料的安全處理處置問題日漸凸顯，ADS作為最具潛力的核廢料嬗變方案，正越來越受到國際核能界的重視。

不過，目前世界上還沒有建成的ADS裝置。

2011年，中科院提出了我國ADS發(fā)展路線圖：第一階段為原理驗(yàn)證階段，即建立加速器驅(qū)動(dòng)嬗變研究裝置;第二階段為技術(shù)驗(yàn)證階段，即要建立加速器驅(qū)動(dòng)嬗變示范裝置;第三階段為工業(yè)推廣階段。

同年，中科院啟動(dòng)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)“未來先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”，旨在通過3個(gè)階段的研發(fā)，自主發(fā)展ADS從試驗(yàn)裝置到示范裝置的全部核心技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)。

核燃料利用率從1%提高到95%

6年多來，ADS專項(xiàng)高質(zhì)量地完成了各項(xiàng)研究任務(wù)，取得了一批階段性重大進(jìn)展。

“其中有兩項(xiàng)工作做得很出彩。”詹文龍介紹說，“一是突破強(qiáng)流超導(dǎo)質(zhì)子直線加速器關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了國際上第一臺(tái)ADS超導(dǎo)質(zhì)子直線加速器前端示范樣機(jī);二是在國際上首次提出了顆粒流中子靶的概念，建成國際首臺(tái)顆粒流散裂靶冷態(tài)原理樣機(jī)。”

盡管項(xiàng)目剛起步那會(huì)兒，中國還只是跟在幾個(gè)發(fā)達(dá)國家的后面，但到2017年底項(xiàng)目結(jié)題的時(shí)候，我們的關(guān)鍵技術(shù)一下子走到了國際前沿。不光國際同行覺得不可思議，連ADS專項(xiàng)首席科學(xué)家詹文龍都沒想到會(huì)做得這么快、這么好。

他認(rèn)為，中科院建制化的研究所體系結(jié)構(gòu)和齊全的學(xué)科研究布局，使其在組織協(xié)調(diào)和綜合創(chuàng)新方面具有極強(qiáng)的能力。

更有意義的是，隨著研究不斷深入，詹文龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)核裂變能的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行了再思考。

他們認(rèn)識(shí)到，傳統(tǒng)ADS方案在經(jīng)濟(jì)性上缺乏競爭力且技術(shù)挑戰(zhàn)巨大，因此原創(chuàng)性地提出了“加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)核能系統(tǒng)(ADANES)”這一全新概念。

ADANES是集核廢料的嬗變、核燃料的增殖以及核能發(fā)電于一體、具有固有防核擴(kuò)散特性的先進(jìn)核燃料閉式循環(huán)技術(shù)，可將鈾資源利用率由目前的不到1%提高到超過95%，處理后核廢料量不到乏燃料的4%，放射壽命由數(shù)十萬年縮短到約500年，這將是一種清潔的核能。

“不光做嬗變，把毒物減少，同時(shí)提高核資源的利用率，使燃料增殖，過程中還能正常發(fā)電。”詹文龍表示，目前已完成了一系列實(shí)驗(yàn)室模擬原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)并取得了突破性進(jìn)展，今年還要把整個(gè)概念設(shè)計(jì)做得更實(shí)。

從開始研究就考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

如果把技術(shù)成熟過程劃分為9個(gè)級(jí)別，那么，在詹文龍看來，他們現(xiàn)在也就做到三四級(jí)的水平。“實(shí)驗(yàn)室研究形成的系統(tǒng)技術(shù)，最終要通過向核能系統(tǒng)轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用和推廣。而后面只要增加一級(jí)，費(fèi)用就會(huì)非常高。”

考慮技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性，的確做起來會(huì)更難。但詹文龍很清楚，真正有用的東西，一開始研究就要考慮最后市場是否能夠接受。科研要做到“頂天立地”，沒有經(jīng)濟(jì)性，最后做完只能是擺擺樣子。

于是，自項(xiàng)目開始之初，眾多想法中原理上跨度大和經(jīng)濟(jì)性差的方案被不斷排除。楊磊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了一套超算模擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并結(jié)合物理驗(yàn)證，像濾網(wǎng)一樣對(duì)眾多方案進(jìn)行細(xì)化研究。伴隨著研究的不斷推進(jìn)，這套系統(tǒng)也在一步步完善，未來隨著技術(shù)的不斷成熟，有望慢慢轉(zhuǎn)換為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可靠設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

2015年12月，國家發(fā)展改革委正式批準(zhǔn)“加速器驅(qū)動(dòng)嬗變研究裝置”(CIADS)立項(xiàng)。這個(gè)大科學(xué)工程得到了國家、地方、企業(yè)和中科院的多方支持，預(yù)計(jì)到2023年能夠完成初步裝置建設(shè)，到2030~2032年可以做出ADANES示范裝置，往產(chǎn)業(yè)化推廣。

“到那時(shí)候，核電站就變成很理想的了。燃料進(jìn)來，強(qiáng)放射性核廢料不用送出去，只要在核電站內(nèi)部再生，進(jìn)的燃料很少，排出的廢物也很少。”詹文龍笑著說，“這條路，我越走越有信心。”