重大研究项目

重重大大研研究究项项目目重大研究项目·加速器驱动洁净核能系统物理及技术基础研究61加速器驱动洁净核能系统物理及技术基础研究1“加速器驱动洁净核能系统的物理及技术基础研究”项目总结报告*夏海鸿1，2，赵志祥1（1中国原子能科学研究院，北京102413；2西北核技术研究所)人们在享受核电带来的巨大好处时，也不得不面对核电产生的核废料，尤其是长寿命核废料的最终处理处置难题。根据对核电站废物的潜在生物危害性分析，核电站废物的远期风险决定于长寿命高放废物，其中，主要是Np，Am，Cm等被称为次量锕系核素(MA)的核素和长寿命裂变产物（LLFP）。MA和LLFP要衰变数十万年才能达到天然铀的毒性水平。大量的如此长寿命高放废物进行地质深埋处置是有环境风险的。国际上早于20世纪60年代就提出了采用分离和嬗变（PartitioningandTransmutation，P&T）的方法处置中、长寿命高放废物。即首先将长寿命锕系核素和长寿命裂变产物从高放废物中分离出来，然后再集中进行嬗变，使其变为稳定或短寿命的核素。分离和嬗变可以在充分利用资源的同时，大大降低核废料的毒性和体积，采用分离和嬗变的技术路线，结合必要的少量高放废物的深埋处置是处理、处置MA和LLFP的合理的选择。加速器驱动的次临界系统（ADS）是嬗变核废料的最强有力工具。ADS的研究与开发是一个集加速器、反应堆物理、核物理、材料科学、核化学等多学科于一身的综合性系统工作。核科技界认为ADS是一条有前途的新一代核能开发的技术路线。国际原子能机构把它列入新型核能系统中称之为“新出现的核废物嬗变及能量产生的核能系统”。研究成果将具有良好的资源效益、安全效益、环境效益，是我国核裂变能可持续发展值得探索的新技术途径，也是国际上目前研究的一个热点。“加速器驱动洁净核能系统的物理及技术基础研究”于1999年11月科技部批准立项，2000年9月27日在中国原子能科学研究院启动实施。主要承担单位是中国原子能科学研究院和中国科学院高能物理研究所，项目依托单位为国防科工委和中国科学院。参加单位还有北京大学、清华大学、西安交通大学、南华大学、西南物理研究院、西北核技术研究所等，投入人员70余人。5年的主要研究内容为反应堆物理及外源驱动零功率次临界反应堆实验、强流加速器物理及相关的单项技术、核物理基础、ADS系统物理性能研究等诸方面。与先进核能国家比较，我国的ADS研究起步较晚，投入也较少。但由于充分利用了承担单位的技术积累、很好地借鉴了国外的先进经验并且充分发挥了科研人员的积极性和创造性，目前，我国ADS研究整体上达到国际水平，有些已经达到国际先进水平，得到了国际同行的认可。我国在国际上相关领域已占有一席之地，我们的项目已被国际同行列入国际发展势态图表，具有一定的国际影响力。我国在国际合作中有了实在的份量，人员往来日益活跃与频繁，与意大利、瑞士、日本、韩国等都有合作框架。2005年，我们还成功举办了“第三届亚洲ADS会议”，来自日本、韩国及瑞士三方的9名代表和中方30多名代表参加了会议。我们的研究成果可以归纳如下。1）在国际上第1个建立了快-热耦合的ADS次临界实验平台在ADS研究初期，我们即提出ADS快-热耦合的概念，内区为快区，由天然铀、锕系核和铅（或钠）组成，外区为热区。内区可看成是中心的散裂中子源的中子倍增器，在嬗变锕系核废料、转换核燃料的同时具有放大外中子源的作用，并有一定的能量输出；外区主要具有放大内区中子的作用并产生能量。之后，国外也相继提出了ADS快-热耦合的设计。经过5年的艰苦努力，攻克了62中国原子能科学研究院年报2005设计、加工、制造中的许多难关，终于建成了国际上第1个实现了快-热耦合的ADS次临界实验装置——启明星1#次临界实验平台。国际原子能机构将于2006年10月召开ADS低浓化会议，而我国的启明星1#已经实现了ADS低浓化要求。因此，国际原子能机构特地邀请我们的专家去作报告。2）建立了具有国际先进水平的强流RFQ加速器这是继美国LosAlamos国立实验室的CW模式LEDA-RFQ之后所建造的功率最高的RFQ加速器。我们的RFQ加速器是按CW设计、加工、建造的，但是，由于束流功率水平需要逐步提高，所以第1步目标是6％工作比，以后再逐步提高到CW。选择6％工作比是受限于高能物理研究所1号厅现有水冷供给能力，其供电能力也不能支持CW运行。但即使运行在6％工作比，此RFQ束流功率在目前仍然仅次于LEDA-RFQ。强流加速器所采用的四翼型RFQ具有很高的技术挑战，发展强流质子加速器的各国无不把它作为需要突破的首选技术关键，投入大量时间和经费，开发其技术。法国、意大利、韩国等于1997年左右开始强流RFQ的研制，目前，仅有韩国于2001年建立了1台3MeV的RFQ，但由于加工失误，不仅频率不对，流强也远没达到设计值，只好重新建造。而法国、意大利到什么时候建成目前尚无定数。由此可见，强流RFQ加速器的建造是十分困难的，有一系列技术难题有待克服，必须要有所创新。我们选择了高起点出发、跳跃式发展的创新技术路线，跳过冷模研制阶段，直接进入工艺模研制。由此，我们省去两年的时间和近百万元的经费，并很快地缩短我们与国际水平的差距。在RFQ物理设计、腔体制造、实验研究和射频功率源改造中我们也都有所创新。虽然起步较晚，已经很快达到国际先进水平。3）建立了具有国际先进水平的强流离子源成功研制了ECR微波离子源，该离子源结合电磁，永磁及铁回路，和国内外传统的同类型离子源相比，具有结构紧凑，维修方便等优点，其主要性能指标如引出束流密度、引出束流发射度、运行可靠性等均接近国外先进水平。在ECR离子源研制工作中，解决了目前国内外同类离子源普遍存在的在引出强流离子束的情况下，因二次电子回轰造成离子源寿命受限制的问题，取得了创造性的成果。在本项目研究的强流ECR离子源、强流低能束聚焦磁透镜及相关技术成果基础上，为其他项目研制成功1台D+强流低能机，并已投入实际运行，ECR离子源连续数月工作，累计出束时间超过400h，一直不需任何维护，证明了它的可靠性。4）在国际上首次解决用中子源倍增实验测量的keff与理论值差别的问题这个问题从上个世纪80年代以来国际上一直未解决。为了解决这一问题，人们试图用不同的方法来对测量的keff值进行修正，提出了不同的改进中子源倍增实验方法。我们从有源输运方程出发，结合源倍增方法的定义给出实际用中子源倍增实验测量的是在ADS研究中所引进的参数ks而不是参数keff，我们也对参数ks和参数keff之间的关系进行了实验验证，指出参数keff是决定系统的安全问题，而参数ks是怎样利用外中子源问题。同时，研究也表明在用中子源倍增方法临界外推实验时，实际是两个参数都是趋于1，因此，看不出它们的差别，但在用中子源倍增方法测量参数时，实际测量的是的参数ks而不是参数keff。5）在国内首次建立和配套了ADS中子学研究专用计算机软件系统并开展ADS工程概念优化方案计算将ADS中子输运计算与燃耗计算的耦合，在国内是属于创新性的工作，达到国际同类研究水平，并在国内首次开展ADS工程概念优化方案计算，达到国际同类研究水平。完成了以核废物嬗变、产能和钍资源利用为目标的加速器驱动快-热耦合次临界系统的概念设计。该概念设计有以下优点与创新性：(1)由于快-热耦合，快中子包层相当于中子放大器（放大系数可达到10以上），因而大大降低了对质子加速器束流强度及能量的要求；(2)快包层对MA有极好嬗变性能与能力，热包层用于对长寿命裂变产物的嬗变及产能，因而兼顾了嬗变及产能的要求；(3)热包层采用钚-钍燃料循环，为钍的利用开辟了新的途径；(4)对快-热耦合装置的物理设计中一些新问题（如放大系数，耦合系数等）的计算，提出并建立了理论模型与计算方法。这些都是反应堆物理学科中有待解决的新问题。重大研究项目·加速器驱动洁净核能系统物理及技术基础研究636）建立了国际水平的ADS专用中子和质子微观数据评价库这是继美国、日本后建立的中高能评价数据库。评价数据与新的实验数据符合更好，特别是发射中子、质子、氘、氚、3He和α粒子的双微分截面的结果是国际上最好。部分核评价的结果已发表在《NuclearPhysicsA》、《NuclearScienceandEngineering》、《NuclearInstrumentsandMethodsB》和《高能物理与核物理》等杂志上。大部分微观数据已经制作成多群常数提供使用。在建库的同时，还发展了自己的中能核数据的理论计算程序MEND。该程序在平衡反应的Hauser-Feshbach理论中严格考虑了宽度涨落修正；在预平衡反应的激子模型中，包括了轻复杂粒子（3He、4He、氘和氚）发射的拾取机制；考虑了多次预平衡发射过程；适用的入射粒子能区较宽。7）创造性地进行了专用材料研究高剂量辐照是ADS材料辐照效应研究的一个关键问题。现有中子和质子源用于这样高剂量的辐射损伤研究需要几百天至几年的辐照时间。而我们采用重离子辐照仅需要几十分钟至几十小时，辐照剂量即可高达100dpa，大大缩短了研究周期。经过重离子辐照模拟高剂量中子或质子产生的辐照效应的可靠性实验验证后，用重离子辐照模拟方法进行了多种国产ADS散裂中子源束窗和靶材料高剂量辐照效应的性能试验。在国内首次进行了钨靶材与冷却剂的相容性试验以及钨靶材-包壳的复合工艺试验研究，为ADS靶系统提供钨靶材料与冷却剂的相容性数据，为ADS试验装置的钨靶件制造提供工艺参数的参考数据。8）探索性研究取得积极成果首次以正面的观点和积极的态度从裂变核能持续发展的角度系统地分析研究了核废料核素的价值。研究表明，从中子学价值和环保价值考虑，核废料核素有必要而且也可能通过开发ADS技术加以循环利用。对ADS特有的辐射防护问题开展了研究，特别是对ADS系统由于质子束管存在产生的辐射计量问题的研究，对ADS的系统屏蔽计算等在国内是第一次。在国内首次研究建立了ADS系统瞬态仿真平台，并利用该平台对ADS系统加速器束流瞬变事故过程进行了仿真研究。靶区流场可视化研究、靶区流场的数值模拟、靶区流场的优化设计跟踪了国外的相关研究，在国内属创新性研究。其中，靶区流场的优化设计中的部分思路，在国外也未见报道。靶件热应力分析方法的建立在国内属于创新性研究。*国家重点基础研究发展规划项目（G1999022600）2ADS次临界中子学研究进展史永谦，夏普，朱庆福，李义国，张巍，曹健，权艳慧，罗皇达，吴晓飞ADS系统反应堆物理基础研究为中国科技部973项目“加速器驱动核能系统的物理及技术基础研究”的第2课题。五年来，已经完成了计划任务书中规定的所有的项目，包括第1阶段的稳态外源（252Cf）驱动水堆零功率次临界（东风3号）实验及分析和第2阶段的建立“启明星”实验装置并开展初步实验研究。在第1阶段，先后探讨了次临界度及能谱的测量方法，解决了用中子源倍增实验测量的keff与理论值差别的问题，这个问题是上个世纪80年代以来国际上一直未解决的。指出用中子源倍增实验测量的是在ADS研究中所引进的ks而不是keff，并对ks和keff之间的关系进行了实验验证，得出keff是决定系统的安全问题，而ks是怎样利用外中子源问题。64中国原子能科学研究院年报2005在第2阶段，建立启明星1#实验装置。在该平台上可研究ADS次临界系统有效增殖因子keff实时测量和监督的方法；可宏观检验相关核数据和校核中子学计算程序；可开展ADS次临界系统中子学研究（外中子源对次临界反应堆的影响）；可开展长寿命核素嬗变实验和研究。为此，要求其结构尺寸准确，材料参数可靠；结构合理，操作方便，安全可靠；次临界装置边界清楚，除束中子源外杜绝散射中子进入；装置水平高度可调；次临界反应堆有效增殖系数在0.95～0.98之间可调。在建立“启明星1#”实验装置时,攻克了加工制造中的许多关键问题，在国际上建立了第1个快-热耦合的ADS次临界实验平台，实现了ADS次临界反应堆的低浓化要求。平台具有国际先进水平，并得到了较大的国际影响。瑞典、美国和西班牙等国表