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【中国科学报】在先进核能路上披荆斩棘
2020-09-24|文章来源:任芳言 |【
 

  “外国做了没有?别人做过没有?”这两句“灵魂拷问”,中科院近代物理研究所(以下简称近物所)所长徐瑚珊从前常常听到。

  2011年,中科院A类战略性先导科技专项“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”启动,这意味着,近物所与中科院高能物理研究所(以下简称高能所)、中科院合肥物质研究院、中国原子能科学研究院等单位接下了一项没有先例的任务。

  近日,中科院公布了“率先行动”计划第一阶段重大科技成果及标志性进展,“加速器驱动先进核能系统原理验证及关键技术重大突破”榜上有名。

  “鸡蛋不要放在一个篮子里” 

  核能是目前最高效的能源,但随核燃料裂变反应产生的乏燃料,其放射性可持续几万年。ADS的提出就是为了解决这一问题,其全称为加速器驱动次临界嬗变系统,它就像一个乏燃料处理器,是质子加速器、散裂靶和次临界反应堆的结合体。

  这套技术路线早在上世纪就有科学家提出,其可行性受到国际公认。但受制于加速器、散裂靶发展水平、需要耦合多重复杂系统等原因,迄今为止还不曾有人成功验证过。但全球持续增长的乏燃料总量、确保核能安全可持续发展始终是绕不开的问题。

  “当时真没把握,成不成谁也说不准。”ADS项目负责人之一、高能所研究员潘卫民告诉《中国科学报》。

  按规划,ADS这条路要走通,需要经过几个阶段:原理研究和关键技术突破、技术路线验证、系统集成和原理验证、形成工业示范和进行商业化推广。ADS先导专项对应着第一阶段。而这一阶段的重点之一,就是实现加速器关键技术的突破。

  筹备立项时,国际上最先进的质子加速器束流强度只有不到2毫安。而要实现嬗变乏燃料的目标,不仅要有连续波束流,束流强度还要达到5~10毫安。

  按计划,ADS加速器采用超导直线加速器结构,主加速器前端连接了两台可交替使用的注入器,束流在10~20兆电子伏的能量下,通过一段特殊的通道进入主加速器。

  “鸡蛋不要放在一个篮子里。”这是项目首席科学家、中科院院士詹文龙常说的一句话。为确保项目顺利进行,同样是突破加速器关键技术,近物所和高能所就走了两条不同的路。

  所幸的是,靠着前期的技术积累和不认输的拼搏劲儿,两条路都走通了。“这是很了不起的事情。”徐瑚珊表示,这为下个阶段的工作提供了更多技术选择。

  最终,加速器关键技术取得了一系列成果。

  主加速器原理样机集成了近物所和高能所两大技术路线,在连续质子束流超过2毫安、32千瓦功率下运行超100小时。高能所研发的基于轮辐型超导腔的注入器I,质子束能量达10.67兆电子伏、脉冲流强达10.6毫安。近物所研发的基于半波长超导腔的注入器Ⅱ,质子束能量达10.06兆电子伏、脉冲流强达11.7毫安。这两条技术路线研制出的样机,均达到国际领先水平。

  走在无人区 

  徐瑚珊用一句话形容项目中各单位的状态:“大家都是走在无人区的战友。”因为没有先例、没有现成经验可循,每一位项目参与者都经历过艰难考验。

  项目参与者、高能所特聘青年研究员闫芳毕业于中国原子能科学研究院,她始终记得老院长赵志祥的一句话:“科研人员一辈子,如果能在职业生涯中赶上几个大工程、大项目,是非常幸运的。”

  现在回头看,闫芳作为高能所ADS束流动力学系统负责人,参与了ADS样机研制,在国际上几无先例。这无疑是一段充满挑战的回忆。“只要参与到项目中,知识面一下就会扩展。”

  2016年12月的一个夜晚,正在值班的闫芳第一次观察到连续波束流持续了几秒钟。一边盯着屏幕,她和同事的大脑一边高速运转,根据调试中的现象深挖背后的物理原理。日日夜夜过去,他们最终将连续波稳定到20多分钟,调试成果有力地验证了物理设计的可行性。

  问及有何经验向当下的年轻人传授,闫芳答:“我会跟他们说,你要珍惜任何一个深入工程的机会,要努力、要坚持。”

  近物所高功率靶研究室主任、研究员张雪荧也认为,亲历ADS先导专项可以用幸运来形容。“一辈子遇见这么好的一件事儿,只有努力才对得起机遇。”

  张雪荧告诉《中国科学报》,调研国外的研究项目时,项目团队意识到一个问题:中子的产生需要高功率液态金属有窗靶,而分割束流和液态金属靶界面的靶窗在束流通过后会受辐照损伤,材料性能会变差、寿命会变短。而在工业级ADS中,所需的束流功率比国际现有水平还要高一个量级。

  “能不能用无窗结构?或者采用新的靶介质?”提出这个设想,意味着要彻底放弃国际惯用的散裂靶形态。

  2013年,近物所提出了颗粒流散裂靶方案,以沙漏为灵感的靶能将固体颗粒输送到靶作用区外换热,保证作用区紧凑的同时,还能承受数十兆瓦束流功率。为了实现这套方案,近物所凝聚起一支小分队。“做电磁的、热工的、材料的和计算的都在一起攻关。”张雪荧回忆。

  2017年下半年,靶研究团队迎来了整个先导专项的尾声——颗粒流散裂靶原理样机专家测试实验。连续几十个小时的实验中,小组里20多个年轻人全部在现场,实验顺利完成的那一刻,这些年轻人脸上的高兴劲儿,至今印在张雪荧的脑海中。

  开了个好头 

  “近物所当时参加ADS的力量,绝大部分都保留下来。”近物所研究员何源曾是项目加速器注入器II的技术负责人,如今他已是加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)的项目总工程师。他表示,作为国际上首个兆瓦级ADS嬗变技术集成验证装置,CiADS的建设离不开ADS项目的前期积累。

  ADS专项全面展开时,共同参与的研究者有一千多人。在徐瑚珊看来,之所以能汇集这些人才,项目稳定的经费支持和清晰的顶层设计非常关键。由于研究工作没有先例可循,许多路要靠摸索,必然会有调整技术路线和管理模式的时候。

  项目开展到第三年时,近物所原创性地提出加速器驱动先进核能系统(ADANES)的新概念。与传统ADS不同的是,ADANES能在嬗变核废料的同时将铀资源的利用率提高到95%以上,未来更具商业化前景。相应的项目概算调整并非小事,但徐瑚珊回忆,整个调整在不到一个月的时间内完成。这在同等体量的项目中,实属罕见。

  未来,伴随CiADS的建成,中国在加速器驱动次临界系统集成和核废料嬗变的路上将再迈进一步。而ADS的顺利收官,无疑为日后开了个好头。

  “我们一定要充分相信科学家”,经历了整个先导专项,徐瑚珊对这句话有着特别的体会。“前期打下的基础不光是技术,还把队伍拉起来了。如果国家支持,我们能做好。”他表示。

  《中国科学报》 (2020-09-24 第1版 要闻)
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