system: [SYSTEM]

user: 4. 国内外ADS研究进展 4.1. 国外对ADS的研究计划 自上世纪90年代初以来，ADS开始成为国际核科技研究的热点。国际核科技界认为ADS是一个有前途的新一代核能开发的技术路线。国际原子能机构把它列入新型核能系统中，称为“新出现的核废物嬗变及能量产生的核能系统”，目前已把它纳入国际原子能机构的快堆与ADS技术工作组的年会内容。国际上关于ADS的学术交流、研讨会及科技合作日益活跃与频繁。欧盟各国、美、日、俄等核能科技发达国家均规划了ADS中长期发展路线 [ 4 ] [ 7 ] 。 欧盟把ADS作为核废料处理处置的核心，以1986年诺贝尔物理学奖获得者Rubbia C教授为首的顾问组提出和制定了EUROTRANS计划，其中有超过40个大学和研究所参与，扩展了原来的XADS计划。按2000年统计，投入人力约400人/年，研究范围涉及强流加速器技术、中高能核数据、中子学设计程序研究、热工水力设计程序研究、散裂靶物理，以及工业规模验证装置设计等 [ 8 ] 。法国的MUSE计划是建设大型快中子零功率实验装置并开展ADS中子学研究 [ 9 ] ；瑞士保罗谢勒研究所提出MEGAPIE计划是利用强流质子加速器开展MW量级液态LBE散裂靶的研究 [ 10 ] [ 11 ] ；法国的IPH和意大利的TRASCO研究了强流质子加速器 [ 16 ] ；比利时核能研究中心的MYRRHA计划建造以LBE为靶 [ 17 ] ，同时作为冷却剂的快中子次临界系统，其目标为建设50~100 MWt反应堆、600 MeV/3 mA强流加速器 [ 18 ] ；德国卡尔斯鲁厄铅研究室实施的KALLA计划是要建造一个大型的铅铋回路系统来研究铅铋特性 [ 19 ] ；欧盟的SPIRE计划研究在中子和质子的混合能谱中，马氏体钢的散裂和辐照效应该项目由欧洲的10个科学机构紧密配合开展 [ 20 ] ；CONFIRM计划是由欧洲七个研究机构组成，在2000年通过欧盟的批准，该计划持续了4年的时间，这个项目主要研究针对于ADS项目中所使用的氮化铀的辐照性能 [ 20 ] ；欧盟的FUTURE计划主要目的在于研究次锕系元素氧化物混合燃料制成适用于ADS均匀或者复合燃料用于辐照实验的可行性 [ 23 ] 。欧盟各国ADS研究开发工作的特点是充分利用现有的核设施，共同合作开展实验研究，其中比较突出的是利用法国的大型快中子零功率实验装置开展ADS中子学研究的MUSE计划、利用瑞士PSI的强流质子加速器开展MW级液态Pb-Bi冷却的散裂靶研究的MEGAPIE计划，利用法国凤凰快中子反应堆开展含MA或LLFP的燃料元件在中子辐照条件下行为研究等 [ 20 ] 。 美国在1999年率先制订了加速器嬗变核废料的ATW计划 [ 23 ] ，由于美国早先致力于加速器生产氚的APT计划，在强流质子加速器方面有较多的技术储备，有利ATW计划的实施。次临界堆芯研究设计过多种热中子和快中子系统方案，最后选中快中子次临界堆芯。从2001年开始实施先进加速器技术应用的AAA计划，全面开展ADS相关的研究，并计划在2010年左右建成一座加速器驱动的实验装置ADTF，用于证实ADS安全性、加速器与散裂靶及次临界增殖系统之间耦合的有效性、嬗变性能和可运行性。费米实验室计划建造的高能强流质子加速器Project-X，也将做部分ADS相关研究。橡树岭阿拉莫斯国家实验室同时提出了SMART计划，也将研究核废物的嬗变方案。此外，美国与俄罗斯合作已建成了实用规模的LBE液态合金回路，并在结构材料腐蚀控制问题上取得进展，同时还开展了工业规模的ADS工程概念设计，公开发表钠冷、LBE冷和气冷3个设计研究。 俄罗斯理论与实验物理研究所和美国LANL在上世纪90年代合作开展ADS开发工作。1998年俄联邦原子能工业部决定启动ADS开发计划。以理论实验物理研究所(ITEP)和物理与动力工程研究所(IPPE)为代表，有10多个单位参加的工作组，拟订研究计划，在ISTC的支持下，协同开展工作。工作内容涉及ADS相关核参数的实验研究；理论研究与计算机软件开发；ADS实验模拟试验装置的优化设计；1 GeV、30 mA质子直线加速器的发展；先进核燃料循环的理论与实验研究等。俄罗斯比较重视ADS系统的新概念研究，典型的有快–热耦合固体燃料ADS次临界装置概念设计和快-热熔盐次临界装置概念设计等 [ 36 ] 。 白俄罗斯的YALINA计划是一个次临界的快热耦合堆，初步实现了为ADS系统内部中子学研究提供了实验的平台，并取得了一些数据，从而提供了技术方面的支持。该计划分析了强的空间不均匀性对中子学通量流强分布的影响，以及ADS源位置差异对中子通量的影响，为进一步ADS项目的的开展提供了必要的参考性依据 [ 19 ] 。 日本1988年启动了处置核废料的OMEGA计划，该计划由日本原子能研究所(JAERI)、日本燃料循环发展研究所(JNC前身称为PNC)和中央电力工业研究所(CRIEPI)这三个核能科学工程研究设计单位为主负责实施。除了广泛开展ADS相关的基础研究外，主要以工程概念设计研究带动相关的以工程实现为目标的技术开发研究。在研究比较了临界焚烧炉ABR和ADS的性能之后，认为ADS是MA嬗变的最佳选择，因此OMEGA计划后期的研究工作集中在ADS的开发研究上，先后完成了钠冷却固体钨靶和LBE冷却液体靶两个工业规模级、820 MW热功率的概念设计。日本同时还开展了具有工业规模的散裂靶和次临界堆融为一体的熔盐ADS概念设计研究。围绕这些工业概念设计还开展了分离流程、燃料加工和后处理、LBE工艺和专用核数据库及计算程序研究开发工作。此外，日本已经实施中子科学计划J-PARC，由日本原子能所和高能所(JAERI-KEK)联合建造强流质子加速器，用以驱动全尺寸的ADS系统，使用Pb-Bi液态合金靶，分三个阶段实施：第一阶段束功率200 kW，次临界堆芯用20% 235 U氧化物为燃料，裂变功率可达50 kW，用强迫空气冷却；第二阶段束功率提高到2 MW，次临界堆芯功率拟提高到500 kW，用自然循环LBE液态合金冷却；第三阶段以实证ADS工艺安全和嬗变性能为目的，束功率拟提高到50 MW，次临界第一个堆芯仍用20% 235 U的氧化物燃料，第二个堆芯拟用专用于工业实用ADS系统的氮化物燃料 [ 36 ] 。 除此之外，韩国和印度等国也有相应的ADS研究计划。国际上部分ASD装置的设计参数见表1。 总的来看，国际上ADS是很活跃的核能研究开发领域，不仅列入国家级中长期发展计划，而且差不多整个核能研究机构和有关的工业部门都参与开发研究，其共同特点是：充分利用已有核能研究开发设施开展实验工作，其中以欧盟和俄罗斯最为明显；重视国际合作，以欧盟、美国、日本和韩国共同参加的中子学研究的MUSE计划和散裂靶的MEGAPIE计划最具代表性；各国都有建设ADS集成实验装置的计划，如欧盟的XADS和MYRRHA，俄罗斯的SAD和美国的ADTF等；各国都结合本国核能发展的实际情况，开展工业规模实用化的ADS系统设计研究，而且都设想在2030年左右建成原型装置。 Table 1 Parameters design of the partial ADS devices [ 9 ] - [ 11 ] [ 16 ] - [ 20 ] [ 23 ] [36 地区 项目 加速器功率(MW) Keff 堆功率(MW) 中子通量(n/cm 2 /s) 靶 燃料 欧盟 AGATE 6 (600 MeV/10 mA) 0.95~0.97 100 快，~10 15 钨 MOX MYRRHA 2.4 (600 MeV/4 mA) 0.955 85 10 15 铅铋 MOX EFIT 16 (800 MeV/20 mA) ~0.97 数百 快，~10 15 铅铋(无窗) MA XT-ADS-A/B 3.6 (600 MeV/3~6 mA) 0.95~0.97 80 快，~10 15 铅铋/钢 U/Pu/MOX XT-ADS-C 1.75 (350 MeV/5 mA) 0.95 50 快，3 × 10 15 铅铋(无窗) U/Pu/MOX 俄罗斯 CSMSR 10 (1 GeV/10 mA) 0.95 800 级联方案 中，5 × 10 15 铅铋 Np/Pu/MA熔盐 INR 0.15 (500 MeV/10 mA) 0.95~0.97 5 快 钨 MOX/MA NWB 3 (380 MeV/10 mA) 0.95~0.98 100 快，10 14~15 铅铋 UO 2 /UN U/MA/Zr 日本 JAERI-ADS 27 (1.5 GeV/18 mA) 0.97 800 块 铅铋 MA/Pu/ZrN 韩国 HYPER 15 (1 GeV/10~16 mA) 0.98 1000 块 铅铋 MA/Pu 表1. 部分ASD装置的设计参数 [ 9 ] - [ 11 ] [ 16 ] - [ 20 ] [ 23 ] [ 36 ] 4.2. 我国对ADS的研究进展 [ 4 ] [ 7 ] - [ 9 ] [ 11 ] [ 18 ] - [ 20 ] 本模板可直接用于论文及其文字的编排，有的页边距、行距、字体都严格符合规定，请勿修改！尤其是页边距，由于期刊在后期制作过程中需要在页眉、页脚添加各种信息，所以所有论文务必确保现有的页边距不被修改，页面空白不被占用。 我国在1996~1999年间在中国核工业集团公司和国家自然科学基金会的支持下开展了ADS研究概念研究和物理可行性研究。1999年在科技部的国家重点基础研究发展规划项目(“973计划”)中立项，开展为期5年的“ADS物理和技术基础研究”，由中国原子能科学研究院和中国科学院高能物理研究所共同承担。 “ADS嬗变系统”的最终目标是建成可用于工业推广的核废料ADS嬗变示范装置，如图2所示，计划分为三步：1) 围绕ADS系统技术路线的选择开展研究，包括建成加速器、散裂靶、反应堆系统各自集成的子系统装置。2) 完成ADS实验装置，指标为质子束流功率(0.6~1.0) GeV/10 mA、堆功率约100 MWt。3) 完成示范装置建设，指标为质子束流功率约1.5 GeV/10 mA、堆功率1000 MWt。 与先进核能国家比较，我国的ADS研究起步较晚，投入较少，研究资源缺少。但由于充分利用了承担单位的技术积累、很好地借鉴了国外的先进经验并且充分发挥了科研人员的积极性和创造性，目前我国的ADS研究已经有了长足进步。国内研究工作的主要进展包括：建立了快-热耦合的ADS次临界实验平台——“启明星”1号；建成了输出能量为3.5 MeV、输出脉冲流强为43 mA的强流质子RFQ加速器；建成了输出能量为75 keV、输出流强大于65 mA的强流ECR离子源；建立和配套了ADS中子学研究专用计算机软件系统并开展了ADS工程概念优化方案计算；建成了ADS专用中子和质子微观数据评价库；创造性地进行了专用材料的辐照效应研究及其与液态金属冷却剂(钠和Pb-Bi合金)的相容性研究；在核废料核素的中子学价值、ADS特有的辐射防护问题、ADS系统的热工水力问题等方面，也开展了一系列的探索性的研究，取得了积极成果。