自从奥托·哈恩和莉斯·迈特纳于1938年发现核能以来,核能已经经历了一段极其复杂的历史。广岛和长崎成为原子核裂变所能释放的巨大破坏力的象征。但二战结束后很长一段时间,原子核裂变也象征着和平利用核能,因有满足世界能源需求的可能性而引发了巨大热情。没有恶臭的燃烧烟雾,几乎无限量的能源,一天中任何时候都有可靠的电力——所有这些对当时的人们来说都像天马行空。

         一开始,研究人员就警告说:某些类型的反应堆(如铀基轻水反应堆)将产生半衰期极长的高放射性残留物,必须紧急考虑其安全储存或合理地进一步使用它(例如用于军事目的)。然而,由于各种原因,包括政治原因,创新的替代反应堆技术一直未能大规模地建立。铀基轻水技术长期以来在和平利用核能方面发挥着主导作用,但最终引起长半衰期辐射残留物的问题。

          在这种类型的能源生产中,最初包含在核燃料中的能量只有4%被使用。因此,产生的核 "废物 "仍然包含高达96%的可用核能量,这令人难以置信。全世界的反应堆每年产生大约12,000吨这种核废料。许多国家最近放弃了增殖反应堆技术,这一原本被誉为一线希望的方法。因为在增殖反应堆中,一些衰变产物也是可裂变的,因此可重新用于生产能源。这使得核废料的最终储存问题变得更加紧迫。问题是,一个合适的储存地必须稳定约100万年,以确保没有裂变产物会放射出危险的辐射物——这比人类迄今为止的整个历史还要长!这是一个很现实的事实。

        毫无疑问,我们未来需要核废料的储存地。但是,这和传统的垃圾填埋场选址不同,选择在不同的储存地会有很大的不同。例如,用于处理有机废物的堆肥设施所需的安全预防措施,肯定比用于处理剩余油漆或其他化学品的危险废物场的安全措施少得多。因此,研究人员正在疯狂地研究新技术,以“化解”或甚至完全回收高放射性的核废料。

        其中一个特别有希望的方式是嬗变。这个词起源于中世纪的炼金术,描述的是汞等普通金属转化为金等贵金属的过程。而在现代语境中,嬗变被理解为用非常高能的中子轰击反应堆燃料棒的过程,其结果是半衰期特别长的核素(如钚、镎或锔原子)分裂成寿命短得多的其同位素。诚然,这些所谓的超铀同位素只占核废料质量相对较小的一部分。然而,问题的关键就在于这些核素。它们在特别长的时间内会发出特别多的放射性辐射,因此这些核素是最有问题的。如果我们能够为这些物质找到一个可持续的回收解决方案,我们将在核废料处理问题上领先一大步。据估计,通过嬗变,核废料的半衰期可以减少到1000年以内——仍然是无数代人类的漫长过程,但比刚才提到的通过数百万年才能解决要容易得多

        多年来,出现了两种特别有希望的嬗变技术:基于加速器的系统和反应堆驱动的系统。它们的区别主要在于如何产生嬗变所需的快中子。

        在加速器驱动系统(ADS)中,嬗变设施基本上包括一个产生快中子的质子加速器和一个反应堆,然后用中子轰击辐射核废料。你现在可能想知道快中子到底是如何从质子加速器中产生的吧?这个神奇的词是剥落。在这个过程中,一束质子首先被加速到几乎达到光速,然后指向一个目标——例如一个含有液态铅合金的槽。铅核被飞驰的质子激发到如此程度,以至于每个核 “甩掉”20到30个高能中子——而且能量输入只有核裂变产生中子的六分之一。

        说到核裂变。这种分裂的另一个优点是,该过程不以连锁反应为基础。只要你停用质子束,就不会再有中子发射出来。这就是溅射技术相对容易控制的原因之一。所以它在最近几年经历了巨大的发展高潮,这也使ADS系统进入了技术上可行的领域。

        在日本的J-PARC加速器中心正在建设一个广泛的ADS实验设施,研究人员计划使用不同功率的质子束(10W到250KW),来研究嬗变的基本物理特性。总部设在比利时的欧洲研究项目MYRRHA(高科技应用的多用途混合研究反应器),也采取了ADS嬗变的想法,借助于为此目的专门开发的分离过程,长寿命的超铀元素将被从废料燃料棒中分离出来,然后通过嬗变分解成短寿命的同位素。第一个MYRRHA原型反应堆与用于生产剥落中子的100MeV质子加速器相结合,计划于2026年投入运行,这是将嬗变研究提高到新高度的理想条件。

        另一方面,在反应堆驱动的系统中,快中子在某种程度上是原子能生产过程中发生核裂变的副产品。在已经提到的增殖反应堆中,原则上我们可以直接利用核裂变过程中发射的中子来进行剩余超铀的嬗变。这种方法特别令人兴奋的是,嬗变过程中释放的能量也可以作为有用的能源,因为这个过程是在常规反应堆内进行的。

計画通りに進めば、2026年にMYRRHA炉でより大規模な核変換実験が始まる可能性がある。出典: https://myrrha.be/myrrha-project/myrrha-accelerator/
高放射能のネプツニウムから比較的無害なテルルへ - J-PARCの研究者は、このような核変換反応を使って、毒性の高い核廃棄物の真相に迫ろうとしています。
出典: http://j-parc.jp/uploads/2019/genri_800.jpg

        有这么很好的机会通过嬗变减少核废料的放射性和毒性,并将储存库的大小和寿命减少几个数量级。那么,我们还在等什么呢?尽管嬗变似乎是问题的答案,但它仍然处于起步阶段。到目前为止,只有小规模的测试设施被实现过,而且仍有很多很多的技术问题没有得到解决。此外,也没有提供证据证明嬗变技术以经济性方式扩大规模的可行性。专家估计,如果有的话,第一个嬗变工厂开始正常运行至少还需要20年的时间。尽管如此,该技术正在获得发展,并肯定会在不久的将来为自己赢得声誉。

        由于嬗变实验的条件非常苛刻——正如高能物理学中经常发生的那样——需要高真空。高温和强烈的放射性辐射是一直存在的,对所使用的部件提出了要求。它们必须对温度和辐射有很强的抗性,表现出物理惰性、尽可能地防止污染等等要求。多年来,VAT的全金属阀门一直是这方面的标准。

         例如,48.2系列的XHV全金属闸阀是为UHV和XHV应用中的可靠关闭而设计的,其环境温度高达300°C,可以承受高达108Gy的辐射。一个特殊的特点是采用了VATRING硬密封技术。与传统的金属对金属密封系统不同,VATRING技术允许非常多的关闭次数(>100,000)。密封圈和密封座都是由不锈钢制成的,只发生弹性变形。此外,该技术允许在相对较低的轴向力下产生非常强的密封力。这最大限度地减少了磨损,永久地提高了密封的可靠性。通过类似这样的定制解决方案,VAT支持世界各地的各种‘嬗变’研究项目。

        VAT销售经理埃弗特·范德韦尔说:“我们VAT非常积极地利用我们的全部真空技术,帮助‘嬗变’成真。”