不久前，中科院發(fā)布科技支撐“雙碳”戰(zhàn)略行動計劃，先進核能技術(shù)是重點攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在各類減少碳排放的清潔能源中，核能是令人又愛又懼的存在。作為清潔能源，核能可以有效減少碳排放，成為替代化石能源的希望，但它也是懸在人們頭頂?shù)倪_摩克利斯之劍，美國三英里島核事故、蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故、日本福島核泄漏，一次次核事故給核電發(fā)展蒙上陰影。

怎樣在助力“雙碳”目標實現(xiàn)的同時，讓核電技術(shù)更安全可靠、更可持續(xù)?這是中科院的科學家們一直在探索的問題。

核裂變能技術(shù)：榨凈核廢料，豐富核燃料

2016年，中科院院士詹文龍曾前往美國華盛頓州哥倫比亞河畔的漢福德鎮(zhèn)參觀。那里是美國發(fā)展核武器后最大的放射性核廢料處理廠區(qū)。那里存放著含強化學腐蝕、強放射性核廢液的銹跡斑斑的大罐子。

詹文龍至今記得當時觸目驚心之感：“美國現(xiàn)在一年要用20億美元去維持那里的安全。”這讓他更加堅定了一個想法：在我國發(fā)展一種能夠更安全、更經(jīng)濟地處理核廢料的技術(shù)。

在科學家眼中，核廢料并不是“廢料”，而是可以繼續(xù)利用的“乏燃料”。早在2011年，中科院就啟動了“未來先進核裂變能—ADS嬗變系統(tǒng)”戰(zhàn)略性先導科技專項(簡稱ADS先導專項)，目標是利用加速器產(chǎn)生高能質(zhì)子，驅(qū)動乏燃料繼續(xù)“燃燒”。由于加速器停止運行時，燃料就能停止“燃燒”，這一技術(shù)也被國際公認為最有前景的利用嬗變安全處置長壽命核廢料的技術(shù)途徑。

到2016年詹文龍赴美參觀時，科學家們已經(jīng)突破了一些ADS的關(guān)鍵核心技術(shù)，并且完成了一種新方案的設(shè)計，即一種能把乏燃料“吃干榨凈”的、具有更高性價比的“加速器驅(qū)動先進核能系統(tǒng)”(ADANES)。

新方案由兩部分組成，一是將已有的ADS技術(shù)工業(yè)化，二是研制乏燃料再生循環(huán)利用系統(tǒng)(ADRUF)。前者相當于“造爐子”，后者相當于“造燃料”。

詹文龍介紹，根據(jù)這一方案，鈾資源的利用率將由目前的不到1% 提高到超過95%，最終只需處置少于5%的核廢料，其放射性壽命將由數(shù)十萬年縮短到五百年內(nèi)，還可燃燒30%的釷資源，這將支撐核電發(fā)展成千上萬年。在實現(xiàn)碳中和目標的同時，還能產(chǎn)生可用于精準靶向放療及核移動電源的珍貴同位素。

就在ADANES方案如火如荼地推進之時，與ADS先導專項同時啟動的“未來先進核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”(TMSR)先導專項也初見成效。

“在2011年啟動‘未來先進核裂變能’先導專項前已經(jīng)明確，中科院要做核能領(lǐng)域的科技創(chuàng)新。我們分析形勢之后認為有兩個切入點，一個針對核廢料安全隱患和環(huán)境影響的問題，研發(fā)核廢料安全處理處置技術(shù)，將需要地質(zhì)處置的核廢料最少化;另一個針對鈾—235核燃料匱乏問題，研發(fā)將釷—232用作核燃料的技術(shù)，以實現(xiàn)核燃料來源的多樣化。”中科院重大任務局材料能源處時任處長、中科院贛江創(chuàng)新研究院紀委書記彭子龍在回憶先導專項立項經(jīng)過時對《中國科學報》說。

TMSR先導專項計劃用20年左右的時間，在國際上首先實現(xiàn)釷基熔鹽堆的應用，同時建立釷基熔鹽堆產(chǎn)業(yè)鏈和相應的科技隊伍。2017年11月，中科院與甘肅省簽署四代先進核能釷基熔鹽堆戰(zhàn)略合作框架協(xié)議。至2021年5月，TMSR主體工程已基本完工。

核聚變能技術(shù)：東方超環(huán)與神光

在發(fā)展核裂變能的同時，中科院還有一批科研人員在探索另一類未來先進核能技術(shù)——可控的核聚變能技術(shù)。

“聚變能是核能發(fā)展的最終目標，聚變能可以為碳中和的實現(xiàn)作出重大貢獻。”中科院合肥物質(zhì)科學研究院副院長、等離子體物理研究所所長宋云濤說。

核聚變相當于用力把一堆原子捏到一起，然后釋放出能量。核聚變反應條件苛刻，不僅需要達到千萬甚至上億攝氏度的高溫，還需要巨大的壓力。因此，如何觸發(fā)反應，是核聚變能技術(shù)的一大難點。

彭子龍告訴《中國科學報》，中科院科研人員在核聚變能技術(shù)上有兩個努力方向，一是磁約束的核聚變，二是慣性約束的核聚變。

磁約束核聚變，是通過托卡馬克裝置產(chǎn)生強大的磁場，把等離子體約束在盡可能小的范圍內(nèi)并將其持續(xù)加熱并維持在數(shù)千萬甚至上億度的高溫，以達到核聚變對溫度的要求。

早在上世紀70年代，位于合肥的中科院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所就開始了核聚變相關(guān)研究，并于上世紀90年代啟動磁約束的核聚變能技術(shù)——超導托卡馬克的研究。

2006年，被譽為“人造太陽”的東方超環(huán)正式建成，成為我國自行設(shè)計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置。同年，以中科院為主導的中國團隊加入國際熱核聚變實驗堆計劃，成為全球探索“人造太陽”新能源隊伍中的重要一員。

2021年12月30日，東方超環(huán)實現(xiàn)7000萬攝氏度下長脈沖高參數(shù)等離子體持續(xù)運行1056秒，這是人類首次實現(xiàn)人造太陽持續(xù)脈沖過千秒。

慣性約束核聚變，是將聚變材料制成僅約一兩個毫米的靶丸，然后從四面八方均勻射入高能激光束以持續(xù)壓縮并最終引爆小球，形成微型“氫彈”爆炸，產(chǎn)生熱能。為了驗證這種原理，美國在2009年建成了國家點火裝置(NIF)。

在我國，上世紀60年代，中科院上海光學精密機械研究所開啟了我國激光慣性約束核聚變能的研究歷程。上世紀80年代，為了追趕國際研究的步伐，上海光機所開始了大型綜合性激光裝置——“神光”的預研工作，并于1986年建成，1994年裝置退役后被稱為“神光—I”。2000年和2015年，我國又先后建成神光—II激光裝置和神光—III主機激光裝置并投入使用。

面向2060：科學家們的夢想

從2011年至今的10多年里，“未來先進核裂變能”先導專項的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀讓彭子龍看到了中科院在開展先進核能技術(shù)方面的優(yōu)勢。

“當初，我們醞釀研討先導專項的時候，內(nèi)心瞄準的是30年以后的事情。”彭子龍說，作為國立科研機構(gòu)，中科院必須更加前瞻分析需求和挑戰(zhàn)，基于科學本源、科學規(guī)律思考解決方案。

在明確目標之后，中科院動員起了規(guī)模大、學科全的綜合創(chuàng)新力量。“每個先導專項都是十幾個研究所共同參與的。”彭子龍回憶。

他感慨，作為國家戰(zhàn)略科技力量，中科院的使命定位決定著其具有更強的創(chuàng)新能力和欲望。“國家要創(chuàng)新，中科院能創(chuàng)新。”彭子龍說。

面向碳中和目標，科研人員又一次鼓足了干勁。

作為先進核裂變能的研究者，詹文龍有一個夢想：在廣袤無人的沙漠戈壁灘上，建一片清潔能源的綠洲，將太陽能、風能與更安全可靠的核能技術(shù)整合在一起，源源不斷地向千家萬戶輸出清潔無污染的電力能源。

詹文龍介紹，他們已突破ADS關(guān)鍵核心技術(shù)，2020~2027年將高標準高質(zhì)量按計劃建成國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“加速器驅(qū)動嬗變研究裝置”(CiADS);針對ADRUF，同期建成模擬燃料示范的乏燃料干式處理生產(chǎn)線。同時，實現(xiàn)ADANES整體方案優(yōu)化;突破強輻照下稀有同位素量產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)與工藝，開展精準放療同位素的量產(chǎn)。

按技術(shù)進展，到2032年，他們將突破ADRUF關(guān)鍵核心技術(shù)，完成熱室系統(tǒng)建設(shè)并進行再生核燃料研發(fā)，并完成基于CiADS的燃燒示范;爭取國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高密度能源燃料研究裝置”完成立項，建設(shè)超強寬譜輻照設(shè)施及相關(guān)核材料研發(fā)平臺。

到2035年后，他們將完成ADANES集成優(yōu)化與工業(yè)應用示范，為碳中和提供硬科技支撐，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

作為先進核聚變能的研究者，宋云濤也有一個夢想：10年內(nèi)建成未來核聚變發(fā)電站的示范工程，真正實現(xiàn)聚變堆發(fā)電。

“時間緊迫，中國有自己的‘時間路線圖’。按照現(xiàn)有技術(shù)，用10年時間建成核聚變發(fā)電示范工程是完全可以實現(xiàn)的，用不了多久，人類就可以點燃核聚變這個‘大煤球’。”宋云濤說。

無論是過去、現(xiàn)在還是未來，中科院的科研人員一直向著更安全、更可靠、更經(jīng)濟的核能技術(shù)努力。正是這些延續(xù)了10年、20年、半個多世紀的堅持，讓中國先進核能技術(shù)的發(fā)展前景有望，讓中國碳中和目標的實現(xiàn)未來可期。