在先進(jìn)核能路上披荊斬棘｜“率先行動(dòng)”計(jì)劃

“外國(guó)做了沒(méi)有？別人做過(guò)沒(méi)有？”這兩句“靈魂拷問(wèn)”，中科院近代物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)近物所）所長(zhǎng)徐瑚珊從前常常聽(tīng)到。

2011年，中科院A類(lèi)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”啟動(dòng)，這意味著，近物所與中科院高能物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)高能所）、中科院合肥物質(zhì)研究院、中國(guó)原子能科學(xué)研究院等單位接下了一項(xiàng)沒(méi)有先例的任務(wù)。

近日，中科院公布了“率先行動(dòng)”計(jì)劃第一階段重大科技成果及標(biāo)志性進(jìn)展，“加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)核能系統(tǒng)原理驗(yàn)證及關(guān)鍵技術(shù)重大突破”榜上有名。

“雞蛋不要放在一個(gè)籃子里”

核能是目前最高效的能源，但隨核燃料裂變反應(yīng)產(chǎn)生的乏燃料，其放射性可持續(xù)幾萬(wàn)年。ADS的提出就是為了解決這一問(wèn)題，其全稱(chēng)為加速器驅(qū)動(dòng)次臨界嬗變系統(tǒng)，它就像一個(gè)乏燃料處理器，是質(zhì)子加速器、散裂靶和次臨界反應(yīng)堆的結(jié)合體。

這套技術(shù)路線早在上世紀(jì)就有科學(xué)家提出，其可行性受到國(guó)際公認(rèn)。但受制于加速器、散裂靶發(fā)展水平、需要耦合多重復(fù)雜系統(tǒng)等原因，迄今為止還不曾有人成功驗(yàn)證過(guò)。但全球持續(xù)增長(zhǎng)的乏燃料總量、確保核能安全可持續(xù)發(fā)展始終是繞不開(kāi)的問(wèn)題。

“當(dāng)時(shí)真沒(méi)把握，成不成誰(shuí)也說(shuō)不準(zhǔn)?！盇DS項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一、高能所研究員潘衛(wèi)民告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

按規(guī)劃，ADS這條路要走通，需要經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段：原理研究和關(guān)鍵技術(shù)突破、技術(shù)路線驗(yàn)證、系統(tǒng)集成和原理驗(yàn)證、形成工業(yè)示范和進(jìn)行商業(yè)化推廣。ADS先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)對(duì)應(yīng)著第一階段。而這一階段的重點(diǎn)之一，就是實(shí)現(xiàn)加速器關(guān)鍵技術(shù)的突破。

籌備立項(xiàng)時(shí)，國(guó)際上最先進(jìn)的質(zhì)子加速器束流強(qiáng)度只有不到2毫安。而要實(shí)現(xiàn)嬗變乏燃料的目標(biāo)，不僅要有連續(xù)波束流，束流強(qiáng)度還要達(dá)到5~10毫安。

按計(jì)劃，ADS加速器采用超導(dǎo)直線加速器結(jié)構(gòu)，主加速器前端連接了兩臺(tái)可交替使用的注入器，束流在10~20兆電子伏的能量下，通過(guò)一段特殊的通道進(jìn)入主加速器。

“雞蛋不要放在一個(gè)籃子里?！边@是項(xiàng)目首席科學(xué)家、中科院院士詹文龍常說(shuō)的一句話。為確保項(xiàng)目順利進(jìn)行，同樣是突破加速器關(guān)鍵技術(shù)，近物所和高能所就走了兩條不同的路。

所幸的是，靠著前期的技術(shù)積累和不認(rèn)輸?shù)钠床珓艃海瑑蓷l路都走通了?！斑@是很了不起的事情。”徐瑚珊表示，這為下個(gè)階段的工作提供了更多技術(shù)選擇。

最終，加速器關(guān)鍵技術(shù)取得了一系列成果。

主加速器原理樣機(jī)集成了近物所和高能所兩大技術(shù)路線，在連續(xù)質(zhì)子束流超過(guò)2毫安、32千瓦功率下運(yùn)行超100小時(shí)。高能所研發(fā)的基于輪輻型超導(dǎo)腔的注入器I，質(zhì)子束能量達(dá)10.67兆電子伏、脈沖流強(qiáng)達(dá)10.6毫安。

近物所研發(fā)的基于半波長(zhǎng)超導(dǎo)腔的注入器Ⅱ，質(zhì)子束能量達(dá)10.06兆電子伏、脈沖流強(qiáng)達(dá)11.7毫安。這兩條技術(shù)路線研制出的樣機(jī)，均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

走在無(wú)人區(qū)

徐瑚珊用一句話形容項(xiàng)目中各單位的狀態(tài)：“大家都是走在無(wú)人區(qū)的戰(zhàn)友?！币?yàn)闆](méi)有先例、沒(méi)有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可循，每一位項(xiàng)目參與者都經(jīng)歷過(guò)艱難考驗(yàn)。

項(xiàng)目參與者、高能所特聘青年研究員閆芳畢業(yè)于中國(guó)原子能科學(xué)研究院，她始終記得老院長(zhǎng)趙志祥的一句話：“科研人員一輩子，如果能在職業(yè)生涯中趕上幾個(gè)大工程、大項(xiàng)目，是非常幸運(yùn)的?！?/span>

現(xiàn)在回頭看，閆芳作為高能所ADS束流動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人，參與了ADS樣機(jī)研制，在國(guó)際上幾無(wú)先例。這無(wú)疑是一段充滿挑戰(zhàn)的回憶。“只要參與到項(xiàng)目中，知識(shí)面一下就會(huì)擴(kuò)展?！薄　?/span>

2016年12月的一個(gè)夜晚，正在值班的閆芳第一次觀察到連續(xù)波束流持續(xù)了幾秒鐘。一邊盯著屏幕，她和同事的大腦一邊高速運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)調(diào)試中的現(xiàn)象深挖背后的物理原理。

日日夜夜過(guò)去，他們最終將連續(xù)波穩(wěn)定到20多分鐘，調(diào)試成果有力地驗(yàn)證了物理設(shè)計(jì)的可行性。

問(wèn)及有何經(jīng)驗(yàn)向當(dāng)下的年輕人傳授，閆芳答：“我會(huì)跟他們說(shuō)，你要珍惜任何一個(gè)深入工程的機(jī)會(huì)，要努力、要堅(jiān)持?！?/span>

近物所高功率靶研究室主任、研究員張雪熒也認(rèn)為，親歷ADS先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)可以用幸運(yùn)來(lái)形容?！耙惠呑佑鲆?jiàn)這么好的一件事兒，只有努力才對(duì)得起機(jī)遇?！?/span>

張雪熒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，調(diào)研國(guó)外的研究項(xiàng)目時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)意識(shí)到一個(gè)問(wèn)題：中子的產(chǎn)生需要高功率液態(tài)金屬有窗靶，而分割束流和液態(tài)金屬靶界面的靶窗在束流通過(guò)后會(huì)受輻照損傷，材料性能會(huì)變差、壽命會(huì)變短。而在工業(yè)級(jí)ADS中，所需的束流功率比國(guó)際現(xiàn)有水平還要高一個(gè)量級(jí)。

“能不能用無(wú)窗結(jié)構(gòu)？或者采用新的靶介質(zhì)？”提出這個(gè)設(shè)想，意味著要徹底放棄國(guó)際慣用的散裂靶形態(tài)。

2013年，近物所提出了顆粒流散裂靶方案，以沙漏為靈感的靶能將固體顆粒輸送到靶作用區(qū)外換熱，保證作用區(qū)緊湊的同時(shí)，還能承受數(shù)十兆瓦束流功率。

為了實(shí)現(xiàn)這套方案，近物所凝聚起一支小分隊(duì)?！白鲭姶诺?、熱工的、材料的和計(jì)算的都在一起攻關(guān)?！睆堁苫貞洝?/span>

2017年下半年，靶研究團(tuán)隊(duì)迎來(lái)了整個(gè)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的尾聲——顆粒流散裂靶原理樣機(jī)專(zhuān)家測(cè)試實(shí)驗(yàn)。連續(xù)幾十個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，小組里20多個(gè)年輕人全部在現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)順利完成的那一刻，這些年輕人臉上的高興勁兒，至今印在張雪熒的腦海中。

開(kāi)了個(gè)好頭

“近物所當(dāng)時(shí)參加ADS的力量，絕大部分都保留下來(lái)。”近物所研究員何源曾是項(xiàng)目加速器注入器II的技術(shù)負(fù)責(zé)人，如今他已是加速器驅(qū)動(dòng)嬗變研究裝置（CiADS）的項(xiàng)目總工程師。

他表示，作為國(guó)際上首個(gè)兆瓦級(jí)ADS嬗變技術(shù)集成驗(yàn)證裝置，CiADS的建設(shè)離不開(kāi)ADS項(xiàng)目的前期積累。

ADS專(zhuān)項(xiàng)全面展開(kāi)時(shí)，共同參與的研究者有一千多人。在徐瑚珊看來(lái)，之所以能匯集這些人才，項(xiàng)目穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持和清晰的頂層設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。由于研究工作沒(méi)有先例可循，許多路要靠摸索，必然會(huì)有調(diào)整技術(shù)路線和管理模式的時(shí)候。

項(xiàng)目開(kāi)展到第三年時(shí)，近物所原創(chuàng)性地提出加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)核能系統(tǒng)（ADANES）的新概念。與傳統(tǒng)ADS不同的是，ADANES能在嬗變核廢料的同時(shí)將鈾資源的利用率提高到95%以上，未來(lái)更具商業(yè)化前景。

相應(yīng)的項(xiàng)目概算調(diào)整并非小事，但徐瑚珊回憶，整個(gè)調(diào)整在不到一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成。這在同等體量的項(xiàng)目中，實(shí)屬罕見(jiàn)。

未來(lái)，伴隨CiADS的建成，中國(guó)在加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)集成和核廢料嬗變的路上將再邁進(jìn)一步。而ADS的順利收官，無(wú)疑為日后開(kāi)了個(gè)好頭。

“我們一定要充分相信科學(xué)家”，經(jīng)歷了整個(gè)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)，徐瑚珊對(duì)這句話有著特別的體會(huì)?！扒捌诖蛳碌幕A(chǔ)不光是技術(shù)，還把隊(duì)伍拉起來(lái)了。如果國(guó)家支持，我們能做好?！彼硎?。