[科普中国]-加速器增殖堆

简介

在人们发现核裂变的同时，也证实了中子链式反应的可能性，令人振奋的是能够将原子核中的能量释放出来为人类和平发展作贡献。要在一场可怕的战争中取胜，必须保证在军事爆炸发展领域走在前列，但是科学家们一直考虑要将核裂变作为一种能源来使用，为人类提供燃料。但有一种局限性是显然的，铀中同位素235U的含量很少（0.7%），这种核素通过慢中子反应是可裂变的，并可在反应堆中燃烧。铀矿资源贫乏，仅有三个地方可以供应：捷克斯洛伐克的Joachimstal矿山，但这地方将很快面临战争；刚果加丹加省d'Haute联合矿山和加拿大Eldorado矿山公司。看来虽然核时代已经来临，但这种时代实在太短暂了。

1939年Bohr和Wheeler预见到其它可裂变的材料（这种材料的原子量A=4N-1），1941年，Seaborg,McMillan,Ramannod和Wahl发现了239Pu。此后不久，Seaborg和同事们发现了许多可裂变同位素的序列（233U），它们并不服从Bohr和Wheele的4N-1定律。由于McMillan和Seaborg在超铀元素化学和这次发现取得的成就，于1951年获得了诺贝尔化学奖。使用增殖堆，本来是废物的238U可以转变成239Pu，239Pu可用于燃烧。通过这种方法，等量的原始燃料获得的能量可以提高100倍，实现这个梦想可以高效率地使用燃料。开发增殖堆成为世界所有国家长期的目标。

选取加速器驱动次临界快堆,进行嬗变来自于PWR(U)乏燃料中次锕系元素的研究。在堆芯内，燃料为NpAmCm的氧化物，选取液态钠为冷却剂。利用下列程序对所选方案进行物理计算和分析：LAHET模拟质子与靶核的相互作用；MCNP4A模拟次临界包层内20MeV以下的中子与材料核的相互作用；ORIGEN2利用MCNP4A的输出提供的一群等效截面对堆芯进行燃耗计算。计算分析的结果表明：考虑临界安全、功率密度和燃耗等因素，利用所选方案进行次锕系元素嬗变是可行的2。

原理常规核电站卸料中合有大量超铀元素（TRU）、长寿命裂变产物（LFP）和次要锕系元素（MA）。它们具有同的放射性且半衰期长毒性大潜在危富性极大。随着人们对环境的要求的提高。放射性核废物的处理和处置问题直接关系到核能的发展。因此，需要探索合理， 高效的办法来解决这一问题。

使用热中子堆和快堆进行嬗变的主要问题是嬗变速度太慢。由于 MA 的裂变俘获比都比较低，因此嬗变要求尽可能硬的中子谱和尽可能高的中子通量， 为此应考虑专门用于嬗变的反应堆或嬗变装置。具有外源驱动的次临界系统比处于临界状态下运行的 LWR 和 LMFR 更安全可行。次临界系统分为：变驱动系统和加速器驱动系统。加速器驱动的嬗变室腔射入子质.；轴向反射层；系统相对比较简单， 小型灵活， 易于实现， 因此选择加速器驱动次临界系统进行研究2。

发展在1975年之前，全球已制定了核燃料循环连贯性的计划。首先是通过化学处理过程将铀矿中的铀提取出来，再将天然铀中的可裂变同位素235U富集，然后在发电的反应堆中燃烧235U，最后后处理乏燃料，回收残留的235U和239Pu以重新利用。1座快中子反应堆产生的钚燃料的数量比其燃烧的铀燃料的数量多，这样就成为1座增殖堆。而且快中子反应堆中其它的超铀元素也可用于燃烧，发生裂变反应。裂变产物堆积下来作为废物进行处置，所有这些裂变产物的半衰期都不超过30年。快中子反应堆最好用液体钠冷却。有了这一连续性的计划，可以预见，所有铀中的能量都可以释放出来，而不仅仅是235U。在美国1979年预算中，美国能源和开发行政部门拨款4.74亿美元用于发展增殖堆，其中三分之一用于研究和开发，绝大部分用于民用R&D项目。3

在20世纪70年代初期，费米的梦想呈现波折。当时已意识到数量达吨级的经化学分离的钚可能被盗用，或者转为他用，也可能将相当数量的可裂变材料用来制造原子弹。已有一些武器级的可裂变材料掌握在一个小的流氓国家手中，或者被恐怖组织所控制，这是不能接受的，而且将成为一个恶梦。因此由福特基金会赞助了一笔资金开展了一项研究。

随后于1979年4月7日这天美国卡特总统决定将美国后处理乏燃料的计划作废，放慢了开发增殖堆的步伐。其它的国家并不步美国之后尘，依然继续后处理乏燃料，并在关于后处理的危险性的问题上意见相左。这里我认为在下半个世纪未来核电产生的乏燃料没有必要后处理。化石燃料的供应更为丰富，价格比预计的要便宜，铀矿的供应也较充足，实验增殖堆的成本比预期的要高得多。我的这种观点可能与其他人的看法大相径庭。后处理可能是一件值得去做的事情，但可能是因为燃料资源以外的其它原因3。