成果|罗文课题组及合作者提出一种伽马中子源驱动的先进核能系统——长寿命裂变产物高效嬗变的新方案

近期，威廉希尔罗文课题组与合作者提出了一种高强度伽马中子源驱动的先进核能系统，用于长寿命裂变产物的高效嬗变。相关研究成果以“先进核能系统中的长寿命裂变产物嬗变”（Transmutation of long‑lived fission products in an advanced nuclear energy system）为题在线发表于《科学报告》（Scientific Reports）。

高效安全的核废物处理处置是核能可持续发展的重要保障。近年来，随着全球核电装机容量的不断增长，长寿命核废物的处理处置需求日益紧迫。长寿命核废物主要包括长寿命裂变产物（LLFPs）和次锕系核素。LLFPs由于其具有半衰期长、放射毒性强以及易泄露的特点，具有长期的潜在生态环境风险。现有的LLFPs处理方式主要包括伽马嬗变和中子嬗变，其中伽马嬗变需要一个高通量的伽马源产生装置，中子嬗变则通常利用核反应堆来完成。迄今为止，尽管人们已经提出了一些针对LLFPs的嬗变处理方案，然而高效嬗变LLFPs仍然存在一些科学或技术上的挑战，譬如高放条件下的同位素分离技术。

图1. ANES的布局示意图：(a) PNS的产生和ANES的俯视和侧视。

罗文课题组与合作者基于伽马嬗变和中子嬗变原理，提出了一种伽马中子源（PNS）驱动的先进核能系统（ANES）的概念设计，用于无需同位素分离的LLFPs高效嬗变。这种ANES可以同时实现LLFPs的嬗变和核能的产生。后者可平衡PNS装置的能量消耗，意味着这种核嬗变系统不需要外部的能量供给，多余的电能还可用于并网发电。本工作中，作者研究了ANES布局对于嬗变效率的作用影响，发现了ANES的铅铋层和铍层可将PNS的利用率提升10倍。假定ANES在500 MWt的热功率下运行20年，⁹⁹Tc、¹²⁹I、¹⁰⁷Pd、¹³⁷Cs和⁷⁹Se等5种LLFPs的嬗变率超过30%。因此，它们的有效半衰期从约10⁶年下降至不到10²年。研究结果表明，ANES的成功实施有望为无需同位素分离的LLFPs嬗变开辟了一条崭新通道。

图2. ANES运行20年后的LLFPs嬗变效果. 7种LLFPs嬗变百分比结果⁹⁹Tc ≈¹²⁹I >¹⁰⁷Pd >⁷⁹Se ≈¹³⁷Cs >¹³⁵Cs >⁹³Zr。

威廉希尔博士生孙向阳为论文第一作者，WilliamHill中文官方网站罗文教授和上海应用物理研究所陈金根教授为共同通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金项目（资助号：11675075和11605084）和湖湘青年英才项目（资助号：2018RS3096）的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41598-022-06344-y