在人類生存和文明的可持續(xù)發(fā)展中能源問題始終發(fā)揮著重要而不可分割的作用。當前能源發(fā)展面臨三大挑戰(zhàn)——能源安全、環(huán)境污染和氣候變化。因此，潔凈能源的發(fā)展與改善至關重要。12月16日，“高能論壇”邀請到核物理學家、中國科學院院士詹文龍為我們講述了中國科學家對能源發(fā)展的思考，并介紹了加速器驅動先進核能系統(tǒng)的設計思想、核心關鍵技術與建設進展。

為了應對能源發(fā)展的挑戰(zhàn)，環(huán)境友好的低碳能源將是未來能源發(fā)展的趨勢，習近平總書記提出了中國要實現“2030碳峰值、2060碳中和”的目標，核能將是實現這一目標不可或缺的能源。當前的低碳能源主要包括水電、太陽能、風能和核能4類。由于太陽能和風能具有間歇性特性，在穩(wěn)定性和作為基礎負載能源方面制約其發(fā)展，另外長時間的電能存儲仍存在很大困難，作為骨干電網UPS作用的核電不可替代。核電以其穩(wěn)定、可靠、成規(guī)模的優(yōu)勢得到很多國家的青睞，詹院士分享了一組數據：美國核電占其總能源的20%、法國約70%、中國約5%，截止2019年中國核電發(fā)電量占國際核電發(fā)電量的12.4%、中國在建核電站14臺。隨著核電的大力發(fā)展，其產生的乏燃料處理問題日益突出，而日本福島事故也讓人們更加重視到核安全問題。為了可持續(xù)(燃料利用率最大化，放射性廢物最小化)、安全可靠的發(fā)展核電，同時在提高經濟性、防范核擴散方面做出努力，中國科學家創(chuàng)新性的提出了核能系統(tǒng)新思路——加速器驅動先進核能系統(tǒng)(ADANES)。

ADANES系統(tǒng)主要由加速器驅動的燃燒器(ADB)和加速器驅動乏燃料再生(ADRUF)組成。其設計思想是利用可控高反應性快中子燃燒器實現集嬗變、增殖及產能的核燃料燃燒，然后利用低次級沾污的干式處理實現乏燃料再生，形成完全燃料循環(huán)的新型核能系統(tǒng)，使得核燃料的燃料效率由當前核電的1%可提高到95%，核廢料減少到原來的4%且衰變壽命小于500年，大大降低核廢料存儲壓力和延長核裂變能的供給持續(xù)時間。

為實現ADANES的愿景、解決面臨的多個方面的核心技術挑戰(zhàn)，中國制定了發(fā)展路線圖(圖1)。中國科學院科技先導A類專項支持了I期裝置的建設調試，取得了突破性進展、驗證了技術路線的可行性，目前發(fā)改委已經批準第二期項目加速器驅動嬗變實驗裝置(CiADS)的建設。在I期建設中實現了多項關鍵技術突破并將在后續(xù)建設中繼續(xù)攻關：完成了連續(xù)波型超導直線加速器樣機設計、集成與調試，獲得最高功率的連續(xù)波束流，調試水平達到國際領先;受沙漏的啟發(fā)，創(chuàng)新性的提出了顆粒流靶(圖2)的設計思想，大幅提高靶的功率承受能力，使功率超過10MW的系統(tǒng)設計成為可能;提出了低次級沾污高溫干式處理的再生乏燃料組合新方法，大大減少核廢料的產生并降低核擴散的風險;高溫陶瓷反應器的設計使得燃燒器系統(tǒng)更加安全;為滿足新型靶及先進核能相關系統(tǒng)的設計要求，全新開發(fā)了基于GPU和超算的模擬程序，為完成創(chuàng)新方法的驗證與系統(tǒng)設計提供了重要的平臺，同時為實現數字化ADANES提供助力。

圖 2

詹院士介紹了惠州核研究中心的建設進展及發(fā)展規(guī)劃。該中心在建兩個重大科技設施：面向能源科學的加速器驅動嬗變實驗裝置(CiADS)和面向粒子物理與核物理的強流重離子研究裝置(HIAF)。在完成各裝置科學任務的基礎上，科學家們希望最大化利用裝置的能力，在基礎物理、核材料、放射生物醫(yī)療和核技術應用方面做出更大的突破和貢獻。詹院士特別介紹了利用HIAF-CiADS產生β束(衰變產生中微子)進行中微子研究的方案和量產靶向α治療(TAT)的發(fā)射α同位素的意義及進展。不同射線的相對生物學效應不同，靶向α治療與X射線治療、質子治療、重離子治療相互補充(圖3)，效果良好，具有低劑量、高效、易使用等特點，多個同位素藥物獲得FDA臨床批準。為解決國際上發(fā)射α治療同位素供不應求、急需研發(fā)量產新能力的問題，將在裝置區(qū)內建設量產發(fā)射α同位素示范工程，建設周期3年。

在互動討論環(huán)節(jié)，詹院士與云觀眾及現場觀眾探討了聚變能與裂變能的關系與發(fā)展前景、加速器驅動核能系統(tǒng)發(fā)電的轉換效率、乏燃料處理、反應堆運行狀態(tài)監(jiān)測等問題。最后詹院士寄語希望通過推動加速器驅動先進核能系統(tǒng)，讓核能實現安全高效的可持續(xù)發(fā)展。