ADS核反應堆零功率裝置“啟明星Ⅱ號”首次臨界

12月23日,核反應堆零功率裝置“啟明星Ⅱ號”實現首次臨界。這標志著我國加速器驅動次臨界系統(ADS)研究完成又一個重大節點,也標志著我國在核反應堆新一代零功率裝置研發領域達到國際先進水平。其中鉛基堆芯是我國首座鉛基反應堆零功率裝置,是我國在鉛基重金屬冷卻快中子反應堆的創新研發方面取得的關鍵技術突破。該裝置是在中國科學院戰略性先導科技專項支持下,由中國原子能科學研究院和中國科學院近代物理研究所歷時四年聯合研制成功。
ADS是20世紀90年代提出的概念,包括強流質子加速器、重核金屬散裂靶和次臨界快中子反應堆三個部分。ADS的原理是利用加速器加速的高能質子,與散裂靶中的重核發生散裂反應,產生的散裂中子作為中子源驅動次臨界反應堆,維持反應堆內的鏈式裂變自持反應,以實現增殖核燃料和嬗變核廢物。因中子能量高、通量大,嬗變效率高,是國際上公認的最具潛力的核廢物嬗變裝置,在我國核能大規模可持續發展的閉式燃料循環戰略中將發揮重要作用。
我國的ADS研究,先后主要經歷了三個階段。第一階段始自1997年,主要由國家重大基礎研究項目973“加速器驅動潔淨核能系統的物理技術基礎研究”支持﹔第二階段始自2011年,主要由中科院戰略性先導專項“未來先進核裂變能-ADS嬗變系統”支持。第三階段已於2015年經國家發改委批復立項,由國家重大科技基礎設施建設項目“加速器驅動嬗變研究裝置”支持。我國長期持續開展ADS研究,是在國際核能發展大局下,作為負責任的發展中大國,對核廢物處理處置提前布局謀篇的戰略性舉措。
“啟明星Ⅱ號”是ADS研發第二階段的重要成果,預計將在國際上發揮越來越重要的影響力。此前,零功率裝置“啟明星I號”在國家973項目支持下,於2005年7月在中國原子能科學研究院研制成功,並成為國際原子能機構開展ADS試驗研究的基准裝置。
“啟明星Ⅱ號”裝置創新性地採用水堆和鉛堆“雙堆芯”結構,通過控制系統選擇靈活切換,達到雙堆芯的分別快速啟動,以實現基准檢驗與工程驗証的雙重功能,保証監測技術與測量數據的可靠性與精准性。該裝置是以不同富集度的固體鈾棒柵作為核燃料,以水或鉛為介質的多功能反應堆物理綜合實驗研究平台,具有固有安全性、堆芯靈活可變性、操作控制可視性、測量准確性等特點。
“啟明星Ⅱ號”裝置建成后,可以用來開展多系列的ADS反應堆物理靜態與動態參數測量實驗、堆靶耦合特性實驗和反應性監督測量實驗,是將來ADS系統工程化的設計程序和數據庫的基准驗証平台、測量技術測試驗証平台和研究人員教育培訓平台。其中鉛基堆芯是我國首座鉛基快中子反應堆零功率裝置,中子物理特性最接近於ADS工程應用系統,這是中國科學院與中核集團在國家大科學裝置領域通過創新驅動實現院企強強合作的新成果,為我國ADS第三階段的研發以及鉛基快中子反應堆的研發奠定了重要基礎。
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