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“米爾哈”項(xiàng)目:管理放射性廢物的加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

Hamid A?t Abderrahim

完整“米爾哈”設(shè)施三維效果圖。 (圖/米爾哈組織)

反對(duì)核電有時(shí)引用的一個(gè)主要且錯(cuò)誤的理由是:核廢物問(wèn)題沒(méi)有解決辦法。未經(jīng)后處理的乏核燃料在大約30萬(wàn)年內(nèi)仍然具有超過(guò)天然鈾礦石中所發(fā)現(xiàn)水平的放射性毒性,其中絕大多數(shù)鈾和钚仍未燃燒。雖然存在這種長(zhǎng)期處置的技術(shù)解決方案,但還有另一條途徑:核燃料回收。

乏燃料中的鈾和钚都可以通過(guò)后處理回收,并用于新的核燃料以進(jìn)一步發(fā)電。然而,一般后處理產(chǎn)生的殘留物會(huì)留下次錒系元素,即元素周期表中接近鈾的元素,這些元素不能在現(xiàn)有的動(dòng)力堆中燃燒。含有這些元素的放射性廢物仍然需要1萬(wàn)年才能恢復(fù)到自然水平。

高科技應(yīng)用多功能混合研究堆(MYRRHA,以下稱“米爾哈”)是比利時(shí)核研究中心(SCK CEN)目前正在建設(shè)的一個(gè)基于加速器驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)概念的項(xiàng)目(ADS),旨在解決錒系元素,特別是次錒系元素。該項(xiàng)目尋求在工程層面證明基于加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),以及證明在工業(yè)規(guī)模進(jìn)行次錒系元素嬗變的可行性。通過(guò)減少放射性毒性,這可以將高放廢物體積減少99%,將貯存所需時(shí)間減少到300年。

“米爾哈”的設(shè)計(jì)在兩個(gè)重要方面與當(dāng)前大多數(shù)反應(yīng)堆不同。首先,它使用快中子,這是裂變次錒系元素所必需的。其次,它可以在次臨界模式下運(yùn)行,即不引起自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng),因?yàn)樗c高能質(zhì)子加速器耦合,通過(guò)散裂反應(yīng)在反應(yīng)堆堆芯中心產(chǎn)生所需的初級(jí)中子。這對(duì)于確保燃燒次錒系元素時(shí)的反應(yīng)性控制是必要的,并提供了額外的優(yōu)勢(shì),即加速器停止時(shí),鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)停止,反應(yīng)堆關(guān)閉。作為一項(xiàng)重要的安全措施,其設(shè)計(jì)使殘余衰變熱通過(guò)自然循環(huán)排出,而無(wú)需任何能動(dòng)系統(tǒng)或干預(yù)。

為了轉(zhuǎn)化世界上大部分的乏燃料廢物,需要一個(gè)工業(yè)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。迄今,“米爾哈”所涉技術(shù)已分別在實(shí)驗(yàn)設(shè)施的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上得到證明。因此,“米爾哈”是一個(gè)工業(yè)化前的試點(diǎn)裝置,旨在整合這些技術(shù)和進(jìn)行規(guī)模測(cè)試,同時(shí)大幅提高可靠性。

在這個(gè)首創(chuàng)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,需要應(yīng)對(duì)許多科學(xué)、工程和監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)。比利時(shí)核監(jiān)管機(jī)構(gòu)在與項(xiàng)目開(kāi)發(fā)商密切協(xié)商后進(jìn)行的許可前審查,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何足以使“米爾哈”的未來(lái)許可受到質(zhì)疑的問(wèn)題。我們希望這將吸引比利時(shí)和其他地方的許多年輕人進(jìn)入核領(lǐng)域,比利時(shí)認(rèn)為核領(lǐng)域非常重要。

雖然該項(xiàng)目的主要重點(diǎn)是管理放射性廢物,但該設(shè)施在尖端研究和開(kāi)發(fā)方面還有許多其他應(yīng)用?!懊谞柟表?xiàng)目分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段已在建設(shè)中,將完成質(zhì)子加速器綜合體的低能(100兆電子伏)部分,許多研究活動(dòng)預(yù)計(jì)將在2027年左右開(kāi)始。這些活動(dòng)將圍繞同位素在線分離(ISOL@MYRRHA)系統(tǒng)展開(kāi),該系統(tǒng)可以選擇用于放射性藥物的單個(gè)同位素,并為各種核物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生放射性離子束,同時(shí)輔以適合聚變材料研究的全功率設(shè)施。

由“米爾哈”同位素在線分離系統(tǒng)提供的放射性束可以進(jìn)行高精度測(cè)量,這也可能有助于了解粒子物理“標(biāo)準(zhǔn)模型”的有效性。如果第一階段成功,并證明基于加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的加速器具有前所未有的可靠性,那么第二階段將使質(zhì)子加速器達(dá)到全功率(600兆電子伏)。最后階段將是建造次臨界反應(yīng)堆本身。鉛鉍(Pb-Bi)用作冷卻劑,以排出核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量。反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)靈活,可以裝載混合氧化物燃料、次錒系元素和醫(yī)用同位素生產(chǎn)靶。它將為裂變快堆甚至未來(lái)聚變堆的未來(lái)結(jié)構(gòu)材料的輻照和腐蝕測(cè)試提供平臺(tái)。“米爾哈”鉛-鉍冷卻反應(yīng)堆可作為第四代鉛冷快堆的實(shí)驗(yàn)技術(shù)測(cè)試裝置。

迄今,比利時(shí)政府已在“米爾哈”項(xiàng)目上投資約2億歐元,并根據(jù)約16億歐元的總體項(xiàng)目概算,在2018年為2019-2038年追加了5.58億歐元。已創(chuàng)建一個(gè)非營(yíng)利實(shí)體。這將使“米爾哈”能夠吸引外國(guó)政府和實(shí)體的未來(lái)投資,從而進(jìn)入第二和第三階段,并作為一個(gè)國(guó)際組織運(yùn)作?!懊谞柟币驯涣腥霘W洲研究基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略論壇,該論壇由研究界認(rèn)定的前沿項(xiàng)目組成,核物理歐洲合作委員會(huì)已將“米爾哈”同位素在線分離系統(tǒng)納入其歐洲主要核物理設(shè)施的長(zhǎng)期計(jì)劃。旨在鼓勵(lì)低碳技
術(shù)的歐洲戰(zhàn)略能源技術(shù)計(jì)劃(SET計(jì)劃)也將“米爾哈”列入其中,這使其能夠從歐洲投資銀行獲得融資。

將鈾和钚回收作為快中子能譜系統(tǒng)燃料這種潛力,也會(huì)減少對(duì)鈾礦開(kāi)采的需求,并顯著增加從鈾礦中回收的能量。提高原材料利用效率和減少?gòu)U物是許多行業(yè)的高要求,由于這些原因,“米爾哈”已被納入比利時(shí)國(guó)家戰(zhàn)略投資政策和國(guó)家能源與氣候綜合計(jì)劃。

2022.05
Vol. 63-2

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