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对于乏燃料的处理,目前有两种不同的思路。一种方法是直接将乏燃料进行封装固化,然后深地填埋,称为“直接处置(Direct disposal)”。这种方法操作简单,便于防止核扩散,但由于需要在地质层中长期存放,其环境风险无法预期,同时还浪费了很多可利用的资源。另一种方法是将其中可以回收利用的元素如铀、钚等提取出来,进行再利用,剩下的MA和LLFP再固化封装,进行最终处理,称为“再处理(Reprocessing)”或“闭式循环”。这种方法可以回收可利用资源,提高资料利用率,还可以大幅减少需要最终处理的核废料的量。
无论是“直接处置”还是“再处理”,都需要一个妥善处理高放核废料(包括MA和LLFP)的最终方案。针对这个问题,人们从上个世纪50年代起就开始了相关研究。有人曾提出用火箭把高放废料送到太空中,或者把高放废物放置在南极或北极的冰盖上等,但这些方法技术可行性都不高,且无法确保绝对安全。
根据裂变反应的原理,人们提出了一种先进的核废料处理方法,称为嬗变处理。所谓嬗变处理,是指用中子轰击这些高放核废料,让它们发生裂变反应,变成寿命短、危害小的其他元素。但是,要想让这些高放核废料发生裂变反应并不是一件容易的事情,它们需要用能量极高的中子轰击,才有可能发生裂变反应。现有核电站(热中子反应堆)的中子能量约为0.025eV,而嬗变核废料的中子能量需要达到1MeV左右。现在,摆在我们面前的问题便是如何获得这些高能量的中子。(注:eV称为电子伏,是中子能量的单位,1MeV=106eV)
在核领域里,有一种装置叫质子加速器,顾名思义,它是用来加速质子速度的。通过这种装置,我们可以获得能量极高的质子。用这些质子轰击靶材料(一般选择铅或铅铋合金),即用质子将重金属的原子核打散,就可以获得能量很高的中子,这种反应成为散裂反应。通过实验得知,一个高能质子轰击靶材料,可以产生大约30个高能中子。用这些高能中子作为中子源,维持反应堆内的核燃料发生裂变反应,就可以持续不断地获得高能中子了。将高放核废料放入这些反应堆内,接受高能中子的轰击,就可以进行核废料的嬗变处理。
Carlo Rubbia
Carlo Rubbia等人提出的ADS嬗变系统示意图
上述描述的核废料嬗变处理装置称为加速器驱动次临界嬗变系统(ADS嬗变系统)。它是在上世纪90年代,由诺贝尔物理学奖得主Carlo Rubbia为首的欧洲核物理学家提出的。这种方法并不能将核废料完全消除,但可以将核废料的寿命从几万年降低到几百年,并且可以显著降低核废料的放射性毒性和减少需要最终存储的量,这就可以极大地降低核废料对环境的危害程度。目前,ADS嬗变被认为是最为理想的核废料处理方案。
要实现核废料的ADS嬗变处理,需要建造一台能量和稳定性都很高的质子加速器,还要掌握可靠的散裂靶技术和先进反应堆技术(如铅铋反应堆),其技术难度可想而知。目前,世界上还没有成功建造ADS的经验。中科院设立的“ADS嬗变系统”,目标就是要攻克这一系列的难题,建成一座ADS嬗变系统。如果中科院的计划能够顺利推进,我国将极有可能成为世界上第一个建成ADS嬗变系统的国家。
发展先进核能,造福人类社会,是一代又一代核能科技工作者共同的心愿。路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。相信在未来可持续核能的探索道路上,会有越来越多中国科技人员重要的身影。
作者简介:
陈钊(1987-),男,广东潮州人,中国科学技术大学核科学技术学院博士生,德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)核能技术研究所国家公派联合培养博士生,从事先进核能系统的设计与安全分析研究。
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