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至真探索 · 核应用物理

核废物嬗变-从实验室到工业化的漫长跨越

2026-07-26

先说一个数字：四十四万八千吨。

这是截至 2025 年，人类从核电站产生的乏燃料总量。四十四万八千吨重金属。其中大约四分之三还放在冷却池或干式容器里，没有一个国家建好了深部地质处置库。芬兰的 Onkalo 最快，2026 年可能开，但就算开了，它也装不下全球的存量，更装不下每年新增的三万多吨。

这些废料里，真正让人头疼的不是放几年就衰变掉的东西。是那些半衰期以万年计的成分——钚、镅、镎、锔。它们占了乏燃料总质量的不到百分之一，但在十万年的时间尺度上，几乎全部的放射性毒性来自它们。地质处置库的设计不是按体积算的，是按热量算的。钚和镅不断衰变发热，把岩石烤热了，处置密度就得降。美国尤卡山项目做了二十年，花了 150 亿美元，最终被政治埋了。

如果你的铀只烧了不到百分之一的能量就变成了废料，而这百分之一还给你留下几十万年的麻烦——你一定会想：能不能把剩下的那百分之九十九也烧掉，同时把那百分之一的麻烦变成短命的东西？

这就是分离与嬗变——P&T——的全部逻辑。

先分离，把乏燃料里那些长寿命的锕系元素挑出来。然后嬗变，用中子轰击它们，让它们裂变或转化成短寿命的核素。分离靠的是化学：PUREX 流程可以把钚和铀从其他废料中拎出来。但 PUREX 不够——它不处理镅和镎。更先进的流程——中国的 TRPO 流程、法国的 DIAMEX 流程——能做这件事。清华大学的 TRPO 流程在 1990 年代就提出来了，1992 年在德国卡尔斯鲁厄用真实高放废液验证过。2016 年之前，它在国际上是和 DIAMEX 并列的两个最有前途的分离流程之一。

嬗变需要中子源。三个方案。快中子反应堆——俄罗斯的 BN-800 已经在 2024 年完成了含镅和镎的 MOX 燃料的首次试烧，三组组件跑了 1.5 年，出堆检查正在进行。加速器驱动系统——用质子加速器打靶产生中子来驱动一个次临界堆——这是中国惠州 CIADS 选择的路线，也是比利时 MYRRHA 的路线。还有熔盐堆，比如上海的 TMSR-LF1，2025 年 11 月实现了世界上首次钍-铀转化。

三个方案里，ADS 是最灵活但也最复杂的。它的核心优势是安全：堆芯是次临界的，加速器一停，中子源就断，链式反应自动中止。这对烧高比例的镅特别重要——因为镅多的燃料，在普通反应堆里反应性系数会变差，安全裕度下降。ADS 没有这个问题。它的代价是你要建一台几百米长的超导质子加速器，要做一个在液态铅铋里承受质子轰击的靶窗，要让加速器和反应堆协同运行——这在全世界还没有人做到过。

中国正在尝试做第一个。CIADS——中国加速器驱动嬗变系统——在广东惠州建设，500 MeV 质子能量、5-10 mA 束流、铅铋冷却，预计 2027 年建成。2026 年 5 月，它的安全设计准则正式提交国家核安全局审查——这是全球首份专为 ADS 制定的安全设计标准。它的超导直线加速器正在安装，32 个低温恒温器要在 6 个月内装完。同时运行的还有多个分支：CFR-600 快中子示范堆已在 2023 年底并网发电，TMSR-LF1 钍基熔盐堆 2023 年 10 月首次临界。中国是全球唯一同时在推进 ADS、快堆和钍基熔盐堆三条路线的国家。

这是一个巨大的工程赌注。

从技术账看，P&T 的说服力很强。日本原子能机构的参数研究表明，分离锕系元素并嬗变，可以把处置库面积缩小到原来的百分之一到四分之一。Transmutex 公司 2025 年的研究表明，电化学分离加 ADS 嬗变可以把长寿命废物的体积减少约 90%，次锕系元素和部分水溶性裂变产物的嬗变率超过 99%。CIADS 的双束设计研究显示，嬗变效率还可以再提高 58%。ADANES——中国近代物理所提出的先进核能概念——声称可以将铀资源利用率从不到 1% 提升到超过 95%，最终的废物毒性降到传统乏燃料的约 4%。

但从经济账看，故事没有这么直。

早期几乎所有评估都认为 P&T 没有经济优势——它比直接处置更贵。2026 年 Miller 和 Sheffield 在《核技术》上发表的分析给出了相反结论：在美国大规模核电扩张情景下，ADS 烧镅比再建一个处置库便宜得多。但这个结论强烈依赖于假设——你建多少核电站、处置库要多大、监管部门是否允许降低 P&T 废物的处置要求。CIADS 没有公开发布过成本效益分析。考虑到 ASTRID（法国，7.35 亿欧元后取消）、IFR（美国，7 亿美元后取消）、GNEP（全球，2009 年终止）的历史模式，这是个让人不安的沉默。

核数据还有一个 30% 到 70% 的洞。

镅-241 的中子俘获截面，在 JENDL-5 里 1 到 10 千电子伏的区域跟实验值差了 30% 到 70%。不同的评价库之间也有 7% 到 8% 的系统偏差。镅-241 恰恰是嬗变最关键的目标核素——它的截面数据不准，所有燃烧率预测都带着不可量化的误差。中国的 CSNS Back-n 白光中子源已经测了 40 多种核素的截面，范围覆盖 0.1 电子伏到 200 兆电子伏——但公开发表的测量清单里没有镅-241。这正是中国能给全球 P&T 研究做出的最直接的贡献。

最后是扩散风险。

分离的结果是把一群极其危险的物质——钚、镅——从高放射性的废料里提纯出来。提纯方便了嬗变，但也在运营期间增加了扩散风险。德国联邦核废物管理安全办公室 2021 年的专家报告结论直接说 P&T "不适合"辐射防护目标。这个结论来自核电退出的德国，有其政治背景，但它没有被技术界正面回应过。

不是 P&T 在物理上做不做得到的问题——它大体上做得到。问题是它要跟经济系统、监管系统和防扩散治理系统同时兼容。尤卡山被政治埋了，ASTRID 被社会埋了，IFR 被符号意义埋了。技术在等这些系统赶上来。

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