科技日报记者 叶青
在广东惠州，全球在建的首个加速器驱动嬗变研究装置（CiADS）现场，中国科学院近代物理研究所副所长何源和团队正紧锣密鼓地安装强流质子超导直线加速器，全力保障加速器驱动次临界装置（ADS）研发按节点推进。这是一条新一代核能技术路径，旨在解决核能安全、绿色、千年供给问题。
“春节假期，反而是我们最好的工作时间。”利用工作间隙，他聊起了假期正推进的几项重点工作，包括超导加速单元安装、国产首台18kW液氦低温制冷机和铅铋快堆非核集成验证装置的调试等，“今年的里程碑目标是完成整个强流质子超导直线加速器的安装，并完成测试。时间特别紧张，过年期间根本无法停下来。”
何源所说的强流质子超导直线加速器，是ADS的核心，也是破解当前核能发展瓶颈的关键。核能是能量密度极高的能源形式，铀裂变释放的能量是同等重量煤的270万倍，但是常规裂变过程天然铀中99%以上的铀未被直接利用，发电过程核燃料利用率低，并产生大量难以处理的“核废料”，是核能利用面临的双重瓶颈。
“ADS利用加速器提供的高能强流质子束轰击重原子核产生的高通量广谱散裂中子，以此驱动次临界反应堆运行。”何源介绍，“这些中子一方面维持反应堆持续发电并增殖新燃料，另一方面将核废料中长寿命、高放射性的核素‘嬗变’为短寿命、低放射性或稳定的核素，实现核废料的转化与资源化。这是国际公认的核燃料增殖和核废料处理的理想途径。”然而，由于技术难度极高，全球范围内尚未有ADS装置建成。
2011年，中国科学院近代物理研究所一头扎进该领域，原创性地提出了“加速器驱动先进核能系统”，从0到1逐步探索。十年磨一剑。2021年，他们成功研制出ADS超导直线加速器样机（设计能量20兆电子伏特），并在国际上首次实现了10毫安连续波质子束加速和百千瓦、百小时稳定运行。这也是自上世纪八十年代现代ADS概念提出以来，超导直线加速器流强首次达到可工业化应用的指标。同年，CiADS在惠州开工建设。
“现在是强流质子超导直线加速器安装的关键期。当技术难题逐一攻克后，绝对严苛的质量控制成为工程成败的生命线。”何源说，“我们拒绝‘经验主义’，坚持严控每一步流程。任何未达标的组件一旦安装进入装置中，便再无机会补救。因此，上百道工序，均需在源头杜绝任何出错。”
何源带着科技日报记者乘坐电梯深入地下13米，抵达加速器隧道。在这里，全球首台兆瓦级加速器驱动次临界装置正从蓝图变为现实。
看似朴实无华的各种“管道”、精密部件，其中却大有乾坤。“加速器每秒钟可将超过3亿亿个质子加速至光速的0.8倍，轰击液态铅铋合金，产生出海量中子，进而把铀-238转变成新的核燃料钚-239，变‘废’为宝。”何源介绍道，“在这里，我们要安装5种类型的超导加速单元，目前已完成其中的两种。今年要在6个月内完成全部32台超导加速单元的总装任务，将面临最高8台并行建造的极端挑战。这意味着，我们要完成从‘单件艺术品’到‘工业标准品’的跨越——如何在极限产能下，将技术突破的偶然，固化为每台性能一致的必然，是对我们建立超导加速器工业化质量体系的一次终极压力测试。”
从加速器隧道出来，记者来到洁净车间，科研人员正身穿洁净服进行极致洁净的精密装配。超导加速腔和超导磁铁在安装之前，需经历多道工序，表面清洁度达到“纯净”标准：化学刻蚀、电化学抛光、超声清洗、100个大气压的超纯水冲洗，最后在比ICU还要洁净百、千倍的超净间进行装配。
“即便这样，为防止气流扰动卷起微尘，安装人员的操作速度得像电影里的慢动作，还得用高纯氮气吹扫每一个零部件。”何源笑着说，“我们没有惊心动魄的大场面，就是跟‘灰尘’这种小事死磕，把涉及物理过程的每一个工程细节都摸透，只有这样，才能‘于无声处听惊雷’。”
预计到2027年，CiADS将建成全球首个兆瓦级的加速器驱动次临界装置，使我国率先全面掌握加速器驱动次临界系统涉及的关键技术及系统集成和运行的经验。在满足国家重大战略需求的同时，该大科学装置也强力带动了当地产业发展。它吸引了多家粤企参与超导腔、精密磁铁、电子学设备、核能装备的制造，形成了本地供应链，为粤港澳大湾区打造国际一流的核能产业高地提供了核心支撑。据了解，科研团队正基于装置开展同位素生产关键技术研发，构建大湾区同位素“研发—验证—产业化”全链条体系。
何源自信地说，装置可将铀燃料的利用率提高百倍，并将核废料的寿命缩短至千分之一以下，有望使核能成为绿色、安全、稳定的千年能源，支撑未来人类社会对能源日益增长的需求。
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