中國科學院ADS專項鉛鉍冷卻反應堆項目簡介
一、項目背景
為了應對能源短缺和環境污染等問題，人類需要新的清潔能源。核能是目前公認現實可行的可大規模替代化石燃料的清潔能源。根據我國目前核電中長期發展規劃，到2020年核電總裝機容量預計將達到5800萬千瓦或更高。如果2050年中國核電規模達到世界目前的平均水平，中國將新建超過200座百萬千瓦級核反應堆。從核電技術發展的成熟度和經濟競爭力綜合評估，2050年前核電仍將以核裂變能為主。然而，人們在利用核裂變能的同時不得不面臨核廢料的處置等難題。隨著我國核電裝機容量的不斷增長，核廢料的累積量將快速增加，預計到2020年我國核廢料累積量將超過1萬噸。一座百萬千瓦裂變電站每年產生的核廢料如果用水稀釋到可以安全排放的水平，大約需要長江100年的總水流量。而且，核廢料中的高放次錒系元素和長壽命裂變產物的毒性大、放射性強，部分核素半衰期長達上百萬年，若不進行安全處置，將對人類始終存在潛在的放射性威脅。加速器驅動次臨界系統（ADS：Accelerator Driven subcritical System）目前被認為是一種較為理想的核廢料嬗變處理裝置，被國際原子能機構（IAEA）稱之為“新出現的核廢料嬗變及能量產生的核能系統”。
二、原理與發展現狀
ADS由強流質子加速器、散裂靶和次臨界反應堆構成。加速器產生的質子束流轟擊重金屬散裂靶（如液態鉛或鉛合金等），引起散裂反應，為次臨界堆提供外源中子以驅動反應堆內的核反應，從而實現核廢料嬗變等功能。如一個能量為1GeV的質子轟擊重金屬靶，產生30~50個散裂中子，誘發次臨界堆中核廢料嬗變，將長壽命高放射性核廢料轉變為低毒性短壽命核素或穩定核素，降低放射性潛在危險。
從上世紀80年代開始，ADS逐漸成為國際研究熱點。歐盟、美國、俄羅斯和日本等均開展了ADS反應堆的概念設計和實驗研究，并將ADS研究列入國家中長期發展規劃。如美國的ATW、歐盟的CDT（基于MYRRHA/XT-ADS計劃）、日本的OMEGA、韓國的HYPER計劃等。從技術發展路線上看，鉛合金由于具有良好的中子學和安全特性，成為國際ADS反應堆冷卻劑及散裂靶首選材料。
三、發展規劃
中國科學院作為國家的基礎性、前瞻性和戰略性科研機構，設立了戰略性先導科技專項“未來先進核裂變能—ADS嬗變系統”，將致力于自主發展 ADS 系統從試驗裝置到示范裝置的全部核心技術和系統集成技術為保障國家能源供給和核裂變能長期可持續發展做出貢獻。ADS專項計劃通過三個階段實施，分別開展ADS研究裝置（總投入經費預計達到50億元以上）、ADS實驗裝置和ADS示范裝置的建造與實驗研究，到2030年后建成ADS嬗變系統，掌握核廢料嬗變處理的關鍵技術。在ADS反應堆方面，中國科學院選擇鉛合金冷卻反應堆作為發展方向。
FDS團隊（http://www.fds.org.cn，以中國科學院核能安全技術研究所為依托、與國內外多家科研機構密切合作建立的多學科交叉先進核能研究團隊）承擔了ADS專項鉛鉍冷卻反應堆CLEAR（China LEad Alloy cooled Reactor）項目的研究工作。第I階段研究目標，在2020年前完成中國鉛基研究堆CLEAR-I（熱功率10MW）的設計與建造，主要研究內容包括鉛鉍冷卻反應堆的設計及安全分析、關鍵設備設計與研制、專用軟件和數據庫的開發、液態鉛鉍合金綜合實驗平臺的設計、建造與運行技術。第II階段，到本世紀20年代建成中國鉛基實驗堆CLEAR-II（熱功率~100MW）。第III階段，到2030年后建成中國鉛基示范堆CLEAR-III（熱功率~1000MW）。
四、技術特點
CLEAR采用的液態鉛合金冷卻劑對于中子的吸收和慢化能力弱，反應堆具有更好的中子經濟性，使得反應堆系統具有更高的核廢料嬗變和核燃料增殖能力。鉛合金沸點高，反應堆可以在低壓運行時獲得高冷卻劑出口溫度，避免了高壓系統帶來的冷卻劑喪失事故的發生，同時可以實現高熱電轉換效率，反應堆具有更好的安全性和經濟性。鉛合金的化學穩定性高，與空氣和水反應若，避免了起火或爆炸的安全問題。同時，鉛合金的載熱和自然循環能力強，可以依靠自然循環排出堆芯余熱，大大提高了反應堆的非能動安全性。
CLEAR-I具有臨界和加速器驅動次臨界雙模式運行能力，可在同一個裝置上開展第四代鉛冷快堆和ADS系統耦合技術研究。設計過程中充分考慮到研究堆對技術現實可行性及實驗升級靈活性的要求，采用成熟的材料、核燃料和相關技術，同時設計了覆蓋全堆芯的遙操換料系統，使反應堆具有開展不同燃料和堆芯方案的實驗能力。
CLEAR是由外源中子驅動的次臨界嬗變反應堆，次臨界度較深，發生超臨界事故的風險低，具有固有安全性。CLEAR的事故余熱排出系統采用非能動設計方案，確保反應堆在完全失去電源動力的條件下利用自然對流方式排出堆芯余熱，使反應堆處于安全狀態。
CLEAR研究工作是一項多學科交叉的復雜系統工程，具體研究領域涉及到中子物理學、熱工水力學、結構力學、核燃料與材料、放射化學、測量與控制技術、計算機與仿真技術、安全與環境保護、許可證技術和其他多學科交叉技術。
五、社會價值
一座1000MW熱功率的ADS每年可以處理大約10座百萬千瓦級壓水堆一年卸出的高放核廢料，同時還能產生電能供自身使用和輸出給電網。
鉛合金冷卻反應堆在安全性、可靠性和經濟性方面具有顯著優勢，是第四代核能系統堆型之一，也是小型模塊化反應堆、船用反應堆和空間反應堆的主要堆型之一。中國科學院ADS專項鉛鉍冷卻反應堆項目的相關研究成果可同時應用于以上各類先進核能系統，具有廣闊的應用前景。
http://www.fds.org.cn/newsshows.asp?newsid=983
