将核废料用于能源生产，正逐渐成为废料管理与可持续能源生产领域的一项潜在突破。这项技术通过中子轰击核废料，不仅能够从乏核燃料中提取能量，同时还能显著降低其放射性和半衰期。德国联邦颠覆性创新署（SPRIND）与运营商TRANSMUTEX联合发布的一项新研究，提出了在已退役的德国核电站应用该技术的令人信服的途径。然而，其实际应用仍面临技术、经济及监管方面的诸多挑战，特别是与联合国国际原子能机构的审查与保障措施有关。
Lukas Barcherini Peter
2025年3月25日
English version | French version | German version
德国联邦颠覆性创新署（SPRIND）与瑞士设施运营商TRANSMUTEX合作开展的一项新研究，旨在缩短乏核燃料的半衰期和降低其放射性，并从该过程中提取可用的热能。研究提出采用加速器驱动系统（ADS）技术进行核嬗变。这一过程通过用中子轰击放射性同位素，使其发生嬗变或转化为危害性较低的新材料。该过程显著加速放射性元素的衰变，因为废料在吸收中子后变得更加不稳定，随后衰变为两种新元素。已有研究证明，这些新生成的元素具有更短的半衰期和更低的放射毒性。同时，由加速衰变过程产生的热量也可被回收，用于其他应用。
例如，高辐射毒性的钚-239的半衰期可以从约24,000年缩短至最低100年左右。类似地，半衰期约为210万年的镎-237可以转化为半衰期大约为1000年的元素。在这两种情况下，放射毒性也会大幅降低99%至99.95%，因为生成的元素更加稳定。这同样适用于其他废料及其嬗变生成的两种更稳定的元素，这些元素被称为产物元素。一般来说，不稳定元素是指那些具有放射性的元素，因为它们的自然衰变会释放出α、β或γ射线。
与传统核反应堆不同，加速器驱动系统（ADS）技术通过粒子加速器将高能质子射向靶材料，通常为铅或铋。这一过程会引发中子的级联释放，从而驱动嬗变反应。由于ADS处于亚临界状态，无法像传统核反应堆那样自主维持链式反应，因此被认为在本质上比传统核电站（NPP）更为安全。一旦关闭中子源，反应和热量产生会立即停止，从而有效避免熔毁的风险。
嬗变过程会产生约 100°C（212°F）的大量衰变热，这在原理上非常适合供热应用，但不足以用于发电。ADS 技术可为区域供热提供一种前景广阔的解决方案。SPRIND 的研究建议在德国退役的核电站场址部署该技术，利用现有的输电线路、冷却系统和安保设施，同时可将初始成本降低约 30%。
该研究估计，ADS 技术的供热成本在 25-40 欧元/兆瓦时之间，是化石燃料供热的可行替代方案。作为参考，一个德国家庭每年每平方米的热能消耗在 0.13 至 0.15 兆瓦时之间。虽然该研究没有具体说明可供应的家庭数量，但指出每单位能源输入最多可产生三个单位的热量。
然而，每座核电站高达 10亿至 70 亿欧元的前期投资成本构成了一个巨大的初期挑战。尽管 ADS 技术的供热定价可能具备竞争力，但能源销售本身并非主要收入来源。该技术在经济上的成功——以及其具有经济竞争力的热能——取决于从嬗变中提取和销售稀有产物元素。这些材料目前对高科技产业以及癌症治疗和研究至关重要。尽管稀有元素价格存在不确定性，研究表明，在这些元素市场条件稳定的情况下，ADS 区域供热有望成为传统供热的可行替代方案。
ADS 技术所产生的可用热能有助于推动去碳化进程。在清除放射性废料的过程中获取能源，是这一技术的另一项重要优势，它有望缓解核废料带来的代际负担。如果当今社会继续依赖传统核能，ADS 或将成为解决传统核电站乏燃料储存与废料管理难题的关键技术。
ADS（加速器驱动系统）的基本概念并非全新。20 世纪 90 年代，诺贝尔奖获得者Carlo Rubbia首次提出并通过实验验证了该构想，他的开创性工作为该技术的进一步研究和开发奠定了基础。此后，瑞士的欧洲核子研究中心（CERN）以及中国高能物理研究所等机构一直致力于推进 ADS 技术的工业化可行性。
尽管 ADS 技术已在实验室规模上多次被成功验证，但向工业化部署的过渡仍面临诸多严峻挑战。德国联邦核废料管理安全办公室（BASE）与 TÜV Nord 公司均对大规模推广 ADS 技术的经济可行性表示担忧。主要问题在于中子加速器本身，目前尚未有任何一台能够在工业层面实现持续、高功率运行的中子加速器被建造或测试。此外，材料在持续中子轰击下的长期稳定性仍属未知，而产出实现大规模嬗变所需的高强度中子同样面临技术瓶颈。
监管方面的挑战也是 ADS 技术推广的一大障碍。国际原子能机构（IAEA）对涉及“扩散敏感核材料”（PSNM），如钚-239 和铀-233 的技术实施严格监管。尤其是这两种元素，对于生产核弹头尤为重要。
根据全球核不扩散协议，利用核废料进行能源生产需接受持续监测、材料追踪与定期核查。此外，欧洲原子能共同体（EURATOM）等区域性机构还设有额外的监管层级，使部署工作变得更加复杂。
虽然 ADS 反应堆因其亚临界特性在本质上较传统核电厂更为安全，但它们会直接产生扩散敏感核材料（PSNM），而传统反应堆中此类材料仅作为副产物存在，且仅占所用材料总量的一小部分。在 ADS 中处理和使用高浓度、大剂量的 PSNM 会引发了核扩散方面的担忧，尤其是考虑到钚-239 和铀-233 的临界质量（即维持裂变反应所需的最小物质量）较低。
因此，ADS 面临更为严格的国际原子能机构（IAEA）保障措施，需要严格的追踪、报告和合规性审查。与仅使用中等浓度裂变材料的传统核反应堆不同，ADS 涉及的裂变材料浓度显著更高，必须在整个嬗变过程中实行严格的控制和防止滥用。这可能导致监管成本上升及部署进度延迟。
从实验室规模的实验过渡到 ADS 的工业应用，需要克服大量的技术和监管障碍。 下一个关键阶段将是对 SPRIND 研究进行独立的同行评审，确保有关可行性、经济可行性和安全性的结论经得起科学界的严格审查。
这些评估将在判断 ADS 能否真正成为一种变革性技术，以及其面临的挑战是否超过其效益方面，发挥关键作用。
