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曹建业：应用加速器驱动技术发展新型核能的机会和挑战 |
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在人们的印象中，粒子加速器是人类进行高能物理基础科学研究的实验装置，是科学家探索微观世界和宇宙奥秘的“大型玩具”。近年来加速器在人类经济发展和社会进步方面发挥的作用越来越大。如何发挥加速器驱动技术（Accelerator Driven System，简称ADS）在解决人类面对的能源问题中发挥作用已经成为科学家积极探索的热点。随着建造加速器的技术不断获得突破和提高，用加速器驱动技术生产绿色核能，解决核燃料紧缺和核废料处理问题，为人类解决未来能源问题铺平道路的梦想有望成为现实。
科学家探索加速器驱动技术在核能发展中的应用已有相当长的历史。目前科学家的设想主要在三个方面：一是解决长期困扰人类的核废料处理问题，提高核反应堆的可控性；二是开发新型的核燃料，解决核能原料紧缺问题；三是建设全新的可以人为“开关”的核反应堆。经过科学家们近15年来对加速器驱动技术的不断探索和开发，很多基础性的研究工作已经逐渐成熟，在核能生产中的实际应用已不再遥远。美国和欧洲许多国家都在各个方面进行了大量的研究工作，我国和印度、日本等也在不断开展探索。毋庸置疑，利用加速器驱动技术发展新型核能将成为今后各国之间开展国际科技合作和相互竞争的重要领域，她将为人类最终解决自身的能源问题带来希望。
历史进程
利用加速器驱动技术解决核能生产中核原料紧缺等问题的想法由来已久。早在1940年，美国的劳伦斯国家实验和前苏联的科学家就曾提出用离子加速器作为中子源。1950年美国劳伦斯国家实验室提出建造材料测试加速器，用加速器从铀中提取钚-239。1952年加拿大科学家提出利用加速器从钍中获取铀-233，作为坎杜式核反应堆的燃料。然而在20世纪70年代，美国在其境内发现了新的铀矿而停止了有关研发工作。
20世纪80年代，美国决定停止发展在阿贡实验室进行的快速临界反应堆的研究后，又逐渐产生了对发展加速器驱动技术的兴趣。现在美国的布鲁克文、拉斯阿莫斯、费米、阿贡等国家实验室都在开展相关工作。90年代以来，以著名科学家、诺贝尔奖获得者鲁比亚为代表的欧洲核子中心（CERN）科学家对开展加速器驱动技术利用研究的前景充满信心，开展了大量的研发工作，提出了多种应用方案。例如：欧洲的MYRRHA项目计划总投资9亿欧元，建设一个开发ADS应用技术（包括处理核废料技术）的研究装置。
在核能领域的应用潜力
如前所述，科学家探索加速器驱动技术在核能发展中的应用主要有三个方面：一是解决核废料处理问题；二是开发新型的核能燃料；三是建设新型的“绿色”核能反应堆。
1.在核能生产中，核废料的处理一直是阻碍核能发展的难题之一。目前核反应堆产生的核废料含有大量的放射性物质，这些放射性物质的生命周期可长达几十万到上百万年。因此如何处理这些核废料一直是相当棘手的问题。这些核废料如果处置不当，发生泄漏或者落入恐怖分子手中，都可能产生不堪设想的后果。美国拥有100多个核反应堆，总计将产生12万吨核废料。目前美国采用的主要方法是将这些废料放入钛合金特制的容器中，埋放在内华达州的尤卡（Yuccan）山内。用目前掌握的技术制造出的容器只能保证对这些核废料密封300年，300年后将依靠埋放处的地质条件发挥密封作用。但是，在未来漫长的岁月中，谁能保证万无一失？地下水位的变化，全球气候变暖等许多因素都将带来许多不确定性。这些高放射性物质始终是防范落入恐怖分子手中的重点。因此，如果不能有效地对这些核废料进行处理，它将成为人类和平发展核能的“心病”。核能也就不能成为真正的清洁能源。
科学研究证明，用高通量的加速器轰击核废料，可去除当中含有的钚、锕等放射性同位素，从而大大降低核废料中放射性物质的生命周期，缩短需要隔离储存的时间。经过加速器处理后失去放射性的核废料也将使恐怖分子失去对它的兴趣。人类从此也可对其高枕无忧。
2.当前核反应堆使用的核燃料主要是铀-235。目前全球探明的铀-235的资源量仅能供人类消耗50～100年。包括我国在内的许多国家都在大力发展核能。人类和平利用核能的燃料来源将日趋紧张。现代加速器驱动技术在解决核燃料紧缺问题上有望在三个方面发挥作用。一是将核废料转变成核燃料；二是可将铀238转变成铀235，扩大利用现有的铀矿资源；三是可将钍资源变成核燃料，实现以钍为核原料的核能生产。
近来，利用钍资源发展现代核能成为热点。2009年10月20日《纽约时报》报道，科学家一直在探索将钍变成核能燃料。钍的放射性小，产生的核废料少，它的利用可以实现核能的绿色生产。全世界钍的储量比铀高3～5倍。已探明的储量中，澳大利亚50多万吨，美国40万吨，土耳其32万吨，印度32万吨（据有关资料介绍，我国已经查明的钍的储量在28万吨左右）。
随着加速器技术的发展，通过建造高同量的质子加速器，产生中子，用中子将钍（将钍的常见形式钍-232转变成钍232）、铀238和核废料转变成核燃料的设想已经成为可能。因此，我国应该积极开展这方面的探索研究，并加强保护和利用我国现有的钍资源和铀矿资源。
3.目前的核反应堆都是在临界状态下进行，依靠核裂变中产生的中子维持核裂变链式反应的进行。核裂变反应开始后，在原理上已经无法停止。但是如果这种链式反应失去控制，前苏联切尔诺贝利核电站事故有可能重演，大量的放射性物质将被释放。利用加速器驱动技术可实现亚临界状态下的核反应堆。反应堆在亚临界状态下不能自身产生中子，通过加速器不断对其提供中子维持核裂变的进行，如果关闭加速器，即停止向反应堆提供中子，没有中子继续撞击原子核，核裂变反应也就随之停止。因此，利用加速器驱动技术可以实现真正的“可开关”的核反应堆，将大大提高核反应堆的安全性和可控性，将使人类和平利用核能事业掀开新的一页。
技术发展现状
如前所述，美国很早就开始了加速器驱动技术在核能领域应用技术的研究工作。但是，1996年，美国国家研究理事会（National Research Council）经过对ADS各方面的评估，否认了利用ADS技术处理核废料的可行性，提出ADS系统耗资太大，过于昂贵，不能彻底解决核废料需要填埋的问题。并且担心ADS核反应堆发电的稳定性等因素将影响系统的可靠性。2004年，美国能源部放弃了开发ADS系统来处理核废料的研究，集中力量开展利用快堆技术处理核废料的研究工作。但是，随着加速器驱动技术的不断发展，特别是加速器制造水平的不断提高，美国科学家呼吁重新认识加速器驱动技术在发展新型核能方面潜力的呼声不断增高。例如，美国洛斯阿拉莫斯实验室的科学家就公开表示，早先美国研究理事会做出的对发展加速器驱动技术的否定意见是基于不合理的假设，是错误的。
2009年，美国费米国家实验室在自行研制超导无线电频率（SRF）铌腔方面取得了突破，解决了制造高通量加速器的关键技术问题，使人们看到了利用加速器驱动技术发展新型核能的希望，再次唤起了科学家利用加速器驱动技术发展“绿色核能”的热情和积极性。美国有关科学家表示，“绿色核能”是人类能够彻底解决自身能源需求问题又可以与地球和谐共生的唯一选择，大力发展核能离不开加速器驱动技术。有的科学家强调，加速器驱动技术可以改变人们对核能的传统印象，使得核能变得更加容易被人们所接受。总之，利用加速器驱动技术解决核能发展中的问题，实现绿色核能，已经成为人类解决自身生存和发展中能源问题的选择之一。
建议
1.随着我国经济的高速发展，能源供给的缺口日渐增大。大力发展核能是既可增加能源自给水平，又可减少排放的良好选择。我国核电发展迅速，到2050年核能发电将占发电总量的20％，但随之产生的核废料将累计高达5万吨，这些核废料的处理将成为我国发展核电的瓶颈问题，未来的核燃料来源问题也将成为不可回避的挑战。因此，发展绿色核能应该成为我国核电发展的战略选择和可持续发展的选择。否则，我国的核电发展将有可能遇到美国目前面临的困境。
美国已经10多年没有批准建设新的核电站。其主要障碍有两个方面，一是美国三里岛核电站发生泄漏事故后人们对核电安全的担忧，特别是广大居民普遍反对在其居住区附近建设新型核电。如果把核电建设在远离用户的地方，必然大大增加输电成本。二是核废料处理问题。如果我国继续沿着美国走过的老路发展核能产业，也不可避免地要遇到这些问题。特别是，随着我国居民环保和安全意识的不断提高，对核能安全性的要求也将增大。因此发展绿色核能的战略意义十分重大。
2.利用ADS技术处理核废料，发展新型核能的研究仍处于非常初级的阶段，主要停留在基础研究，探索性研究的水平。各国的研究都基本上处在同一个水平上，至今还没有一个国家或国际组织开始或计划开始进行接近商业化应用的原型装置研发。其主要原因有三：一是投资巨大，有关专家估计，制造一个加速器与核反应堆相结合的原型装置至少需要10亿美元；二是还没有成熟的、大家公认可行的技术方案，存在技术风险，毕竟是探索性的研究；三是仍然存在反对声音，有人认为，现阶段应该集中财力投资于已经成熟的技术，投资于有利于改善环境，减少排放的成熟技术，应该先集中精力解决好眼前面临的问题，而不是投巨资于仍无把握的探索性研究。但是，目前情况下，各国都处在同一个起跑线上，谁先行一步，就有可能在这个崭新的领域实现自主创新，掌握一大批自主知识产权，领先于世界。在这个领域，对于各方来说机会和挑战都是均等的。
3.存在开展国际合作的潜力，特别是存在以我为主开展大科学国际合作研究项目的机会。当今，国际新能源合作领域的大科学项目中最为抢眼的莫过于“国际热核聚变试验堆”（ITER）。它无疑为人类的未来能源带来美好的希望。但它距实际应用还很遥远，至少需要50年的时间。然而，建设一个应用ADS技术的新型核反应堆所需要的时间相对短得多，一般估计20年左右即可完成。特别是，当前世界经济仍处于低迷期，各国无力加大研发投入，唯有我国经济一枝独秀。如果我国能够率先在这个新领域大力投资，开展实际应用研发，并考虑集成世界其他先进国家的技术和力量，以我国为主以大型国际科技合作项目的形式牵头开展联合攻关，将提升我国组织国际合作的能力，提升我国在世界新能源发展方面有所作为的良好形象，有利于我国集成世界先进核能技术发展真正的绿色核能，开发和掌握一批拥有自主知识产权的技术和设备，实现我国核能领域的跨越发展。
（作者系驻芝加哥总领馆科技参赞）
《科学时报》 (2011-01-12 A3 观察)
