在人類生存和文明的可持續(xù)發(fā)展中能源問(wèn)題始終發(fā)揮著重要而不可分割的作用。當(dāng)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(guān)重要。12月16日，“高能論壇”邀請(qǐng)到核物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士詹文龍為我們講述了中國(guó)科學(xué)家對(duì)能源發(fā)展的思考，并介紹了加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)核能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、核心關(guān)鍵技術(shù)與建設(shè)進(jìn)展。

為了應(yīng)對(duì)能源發(fā)展的挑戰(zhàn)，環(huán)境友好的低碳能源將是未來(lái)能源發(fā)展的趨勢(shì)，習(xí)近平總書(shū)記提出了中國(guó)要實(shí)現(xiàn)“2030碳峰值、2060碳中和”的目標(biāo)，核能將是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不可或缺的能源。當(dāng)前的低碳能源主要包括水電、太陽(yáng)能、風(fēng)能和核能4類。由于太陽(yáng)能和風(fēng)能具有間歇性特性，在穩(wěn)定性和作為基礎(chǔ)負(fù)載能源方面制約其發(fā)展，另外長(zhǎng)時(shí)間的電能存儲(chǔ)仍存在很大困難，作為骨干電網(wǎng)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(shì)得到很多國(guó)家的青睞，詹院士分享了一組數(shù)據(jù)：美國(guó)核電占其總能源的20%、法國(guó)約70%、中國(guó)約5%，截止2019年中國(guó)核電發(fā)電量占國(guó)際核電發(fā)電量的12.4%、中國(guó)在建核電站14臺(tái)。隨著核電的大力發(fā)展，其產(chǎn)生的乏燃料處理問(wèn)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(wèn)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(shí)在提高經(jīng)濟(jì)性、防范核擴(kuò)散方面做出努力，中國(guó)科學(xué)家創(chuàng)新性的提出了核能系統(tǒng)新思路——加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)核能系統(tǒng)(ADANES)。

ADANES系統(tǒng)主要由加速器驅(qū)動(dòng)的燃燒器(ADB)和加速器驅(qū)動(dòng)乏燃料再生(ADRUF)組成。其設(shè)計(jì)思想是利用可控高反應(yīng)性快中子燃燒器實(shí)現(xiàn)集嬗變、增殖及產(chǎn)能的核燃料燃燒，然后利用低次級(jí)沾污的干式處理實(shí)現(xiàn)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(dāng)前核電的1%可提高到95%，核廢料減少到原來(lái)的4%且衰變壽命小于500年，大大降低核廢料存儲(chǔ)壓力和延長(zhǎng)核裂變能的供給持續(xù)時(shí)間。

為實(shí)現(xiàn)ADANES的愿景、解決面臨的多個(gè)方面的核心技術(shù)挑戰(zhàn)，中國(guó)制定了發(fā)展路線圖(圖1)。中國(guó)科學(xué)院科技先導(dǎo)A類專項(xiàng)支持了I期裝置的建設(shè)調(diào)試，取得了突破性進(jìn)展、驗(yàn)證了技術(shù)路線的可行性，目前發(fā)改委已經(jīng)批準(zhǔn)第二期項(xiàng)目加速器驅(qū)動(dòng)嬗變實(shí)驗(yàn)裝置(CiADS)的建設(shè)。在I期建設(shè)中實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破并將在后續(xù)建設(shè)中繼續(xù)攻關(guān)：完成了連續(xù)波型超導(dǎo)直線加速器樣機(jī)設(shè)計(jì)、集成與調(diào)試，獲得最高功率的連續(xù)波束流，調(diào)試水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先;受沙漏的啟發(fā)，創(chuàng)新性的提出了顆粒流靶(圖2)的設(shè)計(jì)思想，大幅提高靶的功率承受能力，使功率超過(guò)10MW的系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為可能;提出了低次級(jí)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(chǎn)生并降低核擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn);高溫陶瓷反應(yīng)器的設(shè)計(jì)使得燃燒器系統(tǒng)更加安全;為滿足新型靶及先進(jìn)核能相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，全新開(kāi)發(fā)了基于GPU和超算的模擬程序，為完成創(chuàng)新方法的驗(yàn)證與系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要的平臺(tái)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)數(shù)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(shè)進(jìn)展及發(fā)展規(guī)劃。該中心在建兩個(gè)重大科技設(shè)施：面向能源科學(xué)的加速器驅(qū)動(dòng)嬗變實(shí)驗(yàn)裝置(CiADS)和面向粒子物理與核物理的強(qiáng)流重離子研究裝置(HIAF)。在完成各裝置科學(xué)任務(wù)的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們希望最大化利用裝置的能力，在基礎(chǔ)物理、核材料、放射生物醫(yī)療和核技術(shù)應(yīng)用方面做出更大的突破和貢獻(xiàn)。詹院士特別介紹了利用HIAF-CiADS產(chǎn)生β束(衰變產(chǎn)生中微子)進(jìn)行中微子研究的方案和量產(chǎn)靶向α治療(TAT)的發(fā)射α同位素的意義及進(jìn)展。不同射線的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)不同，靶向α治療與X射線治療、質(zhì)子治療、重離子治療相互補(bǔ)充(圖3)，效果良好，具有低劑量、高效、易使用等特點(diǎn)，多個(gè)同位素藥物獲得FDA臨床批準(zhǔn)。為解決國(guó)際上發(fā)射α治療同位素供不應(yīng)求、急需研發(fā)量產(chǎn)新能力的問(wèn)題，將在裝置區(qū)內(nèi)建設(shè)量產(chǎn)發(fā)射α同位素示范工程，建設(shè)周期3年。

在互動(dòng)討論環(huán)節(jié)，詹院士與云觀眾及現(xiàn)場(chǎng)觀眾探討了聚變能與裂變能的關(guān)系與發(fā)展前景、加速器驅(qū)動(dòng)核能系統(tǒng)發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率、乏燃料處理、反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。最后詹院士寄語(yǔ)希望通過(guò)推動(dòng)加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)核能系統(tǒng)，讓核能實(shí)現(xiàn)安全高效的可持續(xù)發(fā)展。