“烧掉”核废料，中国正在造一台大机器

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张勋超朱晓冲2026年11月13日约 8 分钟

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自从人类认识到原子核中蕴藏着巨大能量并加以利用，核能逐渐成为了支撑现代社会运转的核心能源之一。以发电为例，核电站在运行过程中几乎不直接排放二氧化碳，又能够稳定供电，如今已经是现代社会的重要电力来源。

然而，在全球核电行业头上，始终悬有一把“达摩克里斯之剑”——核废料。一旦处置不当，放射性物质发生泄露，就可能对人体和环境造成严重危害。

图片来源：视图网

面对这一世界性难题，一种名为加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven Sub-critical System，ADS）的颠覆性技术被视作极具潜力的解决方案。它能将核废料的长寿命、高放射性成分转化为短寿命或者稳定的形态，从根源上消解核废料的辐射危害、破解其处置难题。目前，这项技术的核心研究装置——加速器驱动嬗变研究装置（China initiative Accelerator Driven System，CiADS）正在广东惠州建设，将成为我国攻关核废料安全处理的核心利器。

正在广东惠州建设的加速器驱动嬗变研究装置（CiADS）（图片来源：中国科学院近代物理研究所）

核废料的处置难题

核电站在发电过程中会产生多种类型的核废料，而其中放射性最强、处置难度最大的，是从压水堆核电站反应堆中卸出、已经消耗过的核燃料，业内被称为乏燃料。

乏燃料暂存水池（图片来源：Orano）

乏燃料这个名字容易让人误解，仿佛它已经“筋疲力尽”。事实恰恰相反，乏燃料是一个复杂的混合体，其中约95%仍是可用的核材料（主要是未“烧掉”的铀-238），约1%是新生成的可裂变钚。而剩下的约4%包含两大类放射性物质，具有极强的放射性，可对人体和环境造成重大伤害：

裂变产物：如锶-90、铯-137，它们的放射性很强，但寿命相对较短，半衰期大约几十年。经过几百年隔离，危害就会大大降低。

次锕系元素：如镎、镅、锔。它们是真正的“万年毒瘤”，半衰期长达数万甚至数十万年，放射性的危害能持续到人类文明难以想象的遥远未来。

乏燃料在不同处理方案下的寿命（图片来源：中国科学院近代物理研究所）

如果不加处理，这些高放射性废物（简称高放废物）一旦进入地球环境，将对生态系统和人类健康构成持续数十万年的威胁。同时，直接丢弃乏燃料，也意味着浪费了其中95%以上本可循环利用的宝贵核资源。因此，处理核废料，既是环境安全的刚性需求，也是资源可持续利用的战略选择。

深埋地下：当前最安全的“保险柜”

面对乏燃料，人类目前找到的最可靠办法，听起来有些返璞归真——深埋，科学上称为深地质处置。

具体来说，这个方案就是将经过固化和封装的高放废物埋入地下数百米深、地质条件长期稳定的岩层中，再利用回填材料、天然岩体等多重屏障，尽可能使其与人类生活环境隔离。

高放废物深地质处置库原理示意图

（图片来源：裴云霞. 核废料储罐候选材料在深地质环境下的腐蚀行为研究[D]. 山东:青岛科技大学,2022.）

目前，芬兰已建成全球首座乏燃料深地质处置设施——翁卡洛（Onkalo）处置库，位于芬兰西海岸地底约430米深处，即将正式投入运行；瑞典、法国等国也在推进类似项目。我国在甘肃北山正在建设高放废物地质处置地下实验室——中国北山地下实验室，为未来处置库的建设开展技术研究和验证。

中国北山地下实验室渲染图

深地质处置是当前国际社会的共识和基石方案。但它更像一个“仓库”，只是隔离，并未消灭高放废物的危害。同时，建设这样的“仓库”耗资巨大、选址极难。随着核电规模增长，长寿命高放核废料的处理处置压力将更加凸显。

ADS：处理核废料的“终极焚烧炉”

除了埋进地下隔离，还有没有方法，能直接对长寿命的高放废物进行无害化处理，甚至把它们变成可利用的资源呢？

答案是肯定的。加速器驱动次临界系统（ADS）就是这样一种革命性的解决方案，是国际公认的核废料处理技术途径的最佳选择。

ADS原理图（图片来源：中国科学院近代物理研究所）

我们可以把ADS理解为处理核废料的“垃圾焚烧炉”。它的任务就是把最难处理的长寿命高放废物（次锕系元素）扔进“炉子”（反应堆），借助高速的中子将其“焚烧”成半衰期只有几百年、危害小得多的产物，并在此过程中回收能量、进行发电。

这个“焚烧”的核心过程是嬗变：用中子作为炮弹去轰击长寿命的放射性核素，迫使它发生碎裂反应，转变成短寿命或稳定的核素。

ADS由三大核心部件组成：

1.“粒子大炮”——强流质子超导直线加速器：它的任务是将质子加速到接近光速，形成一股功率极高、强度极大的束流。

2.“中子工厂”——高功率散裂靶：这通常是一个由液态铅铋合金组成的“靶子”。当加速器产生的高能质子束轰击铅、铋这些重原子核时，会引发散裂反应，瞬间迸发出海量的高速中子，为后续核废料的嬗变提供反应条件。

强流超导直线加速器产生的高能质子束轰击散裂靶，产生海量的高速中子（图片来源：中国科学院近代物理研究所）

3.“安全炉膛”——铅铋冷却次临界反应堆：这是一个经过特殊设计的反应堆，堆芯内装载有混入了待处理核废料的特殊燃料。反应堆处于次临界状态，没有外部中子注入，它自己根本无法维持链式反应，会立刻停止。这从物理原理上杜绝了传统反应堆可能发生的临界事故，具有本征安全性，即安全性由系统自身的物理特性来保障。

这座焚烧炉是如何工作的呢？加速器启动后，产生的高能质子束轰击散裂靶，产生海量中子；随后，这些中子被注入“安全炉膛”，驱动炉膛内的核燃料（含废料）发生裂变，一方面释放热量发电，另一方面产生更多中子。在中子的持续轰击下，混在燃料中的长寿命核废料发生嬗变，转化为短寿命核素。

更妙的是，ADS还能实现核燃料的增殖：反应过程中产生的大量多余中子，可以将占天然铀99%以上、在现有反应堆中无法利用的铀-238，转化为可裂变的钚-239等新燃料，从而将铀资源的利用率从目前的约1%提升至90倍以上。

核燃料增殖原理（左）与核废物嬗变原理（右）示意图丨张勋超

如此一来，ADS可实现核燃料的闭式循环：它不仅能够处理乏燃料中最为有害的高放射性物质，还能增殖新的燃料，向着核能近零废物、高效利用的长远愿景迈进。

全球首个ADS集成验证装置将在中国诞生

在ADS这条全球顶尖科技赛道上，中国已经实现了从学习者到并行者，再到领跑者的跨越。

我国自上世纪90年代开始了ADS的相关研究。2011年，中国科学院启动“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”战略性先导科技专项，并原创性地提出了更先进的“加速器驱动先进核能系统（ADANES）”概念。历经十余年潜心攻关，中国团队攻克了强流超导加速器、液态铅铋靶、次临界堆物理设计与安全等系列世界级难题。例如，早在2021年，我国研制的ADS超导直线加速器样机就在国际上首次实现了10毫安连续波质子束稳定加速和百千瓦功率百小时运行，突破了ADS走向工程应用的核心束流强度瓶颈。

而这一切的核心载体，就是位于广东惠州的国家重大科技基础设施——加速器驱动嬗变研究装置（CiADS）。它是国际上首个在建的兆瓦级ADS原理验证装置，可以看作是未来工业级ADS核电站的“缩小版样机”。CiADS装置的设计指标为质子束流功率2500千瓦，次临界堆热功率7500千瓦，目标是实现大于24小时的满功率耦合运行。

加速器驱动嬗变研究装置（CiADS）设计图（图片来源：中国科学院近代物理研究所）

目前，CiADS项目已进入设备安装与集成调试的关键阶段。其超导直线加速器前端、液态铅铋散裂靶原型件等关键子系统已相继完成研制和测试，预计于2027年建成。

CiADS建成后，将开展从低功率到高功率的耦合运行实验，验证ADS的科学与工程可行性。它的建成将是人类在ADS道路上迈出的里程碑式一步。不过，从样机实验成功，到最终建成可商用的工业化ADS核电站，中间还需通过示范堆解决工程放大、经济性、长期运行维护等挑战。ADS技术有望在2040年前后开始对全球核能格局产生实质性影响。

一场关乎未来的核能革命

处理核废料，不仅是技术问题，更是责任问题——我们能否为子孙后代留下一个清洁的地球？ADS技术，为我们提供了一种充满想象力的解答：在埋入地底之外，还可以主动地将其“净化”。

CiADS的探索，是我国对核能可持续发展这一世界性难题交出的中国方案。它关乎能源安全，关乎环境永续，更关乎人类能否驾驭核能这头“巨兽”，使其真正成为服务文明长久发展的驯服力量。这条路漫长而艰难，但每一步，都让我们更加接近一个更清洁、更持久的核能未来。

作者简介

张勋超，中国科学院近代物理研究所正高级工程师
朱晓冲，中国科学院近代物理研究所工程师