美国粒子加速器将核废料转化为电能，放射性寿命降低99.7%

Source: Slashdot

加速器驱动系统（ADS）用于核废料嬗变

位于托马斯·杰斐逊国家加速器设施的研究人员正在推进 加速器驱动系统（ADS），利用高能质子束将长寿命核废料转化为短寿命同位素。该过程还会产生大量热能，可用于为电网提供额外的电力——正如 Interesting Engineering 报道的那样。

该项目获得了能源部 NEWTON（核能废料嬗变即时优化）计划 8.17 百万美元 的资助。

ADS 工作原理

• 粒子加速器向靶材（例如液态汞）发射高能质子。
• 质子撞击触发 裂变，释放出大量中子。
• 这些中子与核废料中不需要的长寿命同位素相互作用，有效地“燃烧”最危险的成分，将其嬗变为短寿命同位素。
• 未经处理的燃料危险期约为 10万年，而通过 ADS 实现的分区与回收可将这一危险窗口缩短至 约300年。

欲了解更多 ADS 背景，请参阅 World Nuclear Association 概述。

技术难题：效率与功率

超导腔体冷却

传统加速器依赖庞大且昂贵的低温系统来保持超导腔体在极低温度下工作。杰斐逊实验室正在探索一种成本更低的替代方案，即 在纯铌腔体内部涂覆锡。

• 铌锡（Nb₃Sn）腔体 能在更高温度下运行，从而可以使用标准商业冷却装置，而无需定制的大型低温工厂。
• 该团队还在研发 辐条腔（spoke cavities），这是一种旨在提升中子裂变效率的复杂设计。

磁控管驱动的电源

第二大挑战是为加速器束流提供 10 MW 的功率。研究人员正改造 磁控管——即微波炉中使用的同类部件，以满足这一需求。

• 磁控管的输出频率必须精确匹配加速器腔体的 805 MHz。
• 与 Stellant Systems 合作，团队正在原型化先进磁控管，可通过组合实现所需的高功率阈值，同时保持最高效率。

前景

NEWTON 项目旨在在未来 30 年 内实现美国全部商业核燃料库存的循环利用，可能彻底改变核废料管理方式，并为电网贡献额外的清洁电力。