随着核裂变能的不断发展，在提供清洁能源的同时也带来了核废料处理的问题。一座百万千瓦级的压水堆核电站每年约卸出24 t的乏燃料，其中包含约20 kg[1]的次锕系核素（MA，Minor Actinides，如237Np，241Am，243Am，244Cm）。次锕系核素具有高放射性及长达数万年半衰期的特点，其安全处置变得尤为重要。不论是目前常用“一次通过”，还是较为先进“闭式循环”的燃料循环模式，都需对核废料采取地质深埋处理，仍未能根本上解决高放射性及长寿命的核废料处理问题。因此发展更为先进的核废料处理方式对于核裂变能的可持续发展起到坚实的保障。

一种更为先进的核废料处理方式“分离-嬗变”在20世纪90年代提出，其核心在于“嬗变”——通过放射性核素的核反应，将这些高放射性、长寿命核素转化中低放射性、短寿命或者稳定核素，同时减小体积，实现核废料的最小化处置。其中利用高能外源中子驱动的嬗变系统来处理核废料，是公认的行之有效的核废料处理手段。在嬗变系统中，外源中子的来源主要有基于加速器的中子源和基于聚变的中子源，前者典型代表如加速器驱动次临界系统（ADS，Accelerator Driven Sub-critical System）[1-3]，后者典型代表为聚变驱动次临界系统（FDS，Fusion Driven Sub-critical System）[4,5]。这两种方案路线都具有优良的系统安全性（次临界运行，不发生超临界事故），强大的嬗变能力（中子能谱硬，嬗变能量强）[6]。因此，中国科学院于2011年启动了“未来先进核裂变能-ADS嬗变系统”战略性先导科技专项[1,2]；我国在上世纪80年代制定了“863计划”聚变-裂变混合堆专题，收获了一系列丰硕的研究成果[7,8]。

北医三院推进这项工作的过程又具体分为几个阶段。第一阶段为2013年5-10月，项目组从40多个临床科室中选择了8个试点科室，涵盖内、外、妇、儿、麻醉、护理等主要科室，通过访谈、实地参与式观察、历史资料查阅等多种方式，了解了各岗位工作的职责与任务、任职资格（学历、工作经历、知识技能、能力素质等），完成了岗位说明书模板设计，主要包括基本信息、工作描述、岗位在组织中的位置与工作关系、工作职责及工作任务等。

本文主要研究聚变驱动次临界嬗变系统，该系统结合了聚变“丰中子”及次临界包层“富能量”的优势，即利用了氘氚聚变产生的14.1 MeV的高能中子与次临界包层能量倍增的优点，不仅能够降低对聚变堆芯参数的要求，实现聚变能技术的早期应用[9]；还能够在不发生超临界事故的情况下实现嬗变核废料并产生一定能量[6]。

本文接下来将介绍GDT的概念及发展趋势；然后重点介绍基于GDT聚变中子源的嬗变系统的初步设计方案，包括设计目标和准则、聚变驱动器物理设计、次临界包层设计及初步中子学计算结果；最后，对该嬗变系统方案进行总结。

1 GDT概念及发展趋势

GDT（Gas Dynamic Trap）是一种磁镜位形的磁约束装置，中文名称可称之为气动磁镜。它的特征为具有较长的磁镜间距（大于落入损失锥内的离子的有效平均自由程）、高磁镜比（装置中磁场强度最高值与最小值的比值，通常在100左右）、轴对称的磁镜装置（由一系列同轴螺线管组成磁镜的磁体结构）[10,11]。由于频繁碰撞，约束在磁镜的温等离子体在速度空间是各项同性的麦克斯韦分布，因此很多宏观/微观不稳定性被抑制。从而使约束在磁镜真空室中的等离子体从终端损失的行为与两端分别有一个小孔的容器中的经典气体动力学行为类似，因此而得名[12]。

图1展示了一个典型GDT磁镜的主要结构。通过在GDT磁镜较低温度的靶等离子体中平面位置注入高能中性束粒子，与靶等离子体（主要由温离子和电子构成）作用形成的快离子。由于磁矩守恒，被约束住的快离子会在磁镜中来回反射，并在靠近磁镜两端的折返点区域（快离子轴向速度为零的区域）聚集，不断碰撞进而发生聚变反应，由此形成两个轴对称的高通量中子区。基于GDT磁镜的聚变中子源相比于其他类型的聚变中子源，其综合优势主要体现在于[12]：

随着居民收入水平的上涨、人口结构的变化以及国际化趋势的加深，越来越多的消费者不再单一追求低价，而是更加倾向于选择功能强、性价比高、用户体验性更佳的高端家电产品，一定程度上推动了家电消费需求的品质化、供给的智能化，产品的转型升级更能结合当下消费升级的大环境，更加迎合市场需求。从细分品类来看，厨卫行业的高端化趋势一直在持续，其中，嵌入式厨电的智能渗透率逐渐加深，份额逐步提高。

（1）物理与工程技术难度小：等离子体具有很好的宏观稳定性，所需的等离子体温度小于1 keV，现有的磁约束技术已能满足需要。

（2）中子通量高：中子通量可达到1018n/m2量级。

（3）结构紧凑，成本低：装置真空室体积小于100 m3，建造成本约为国际热核聚变试验装置（ITER）的1/10。

研究会从最初四个亚太地区专业委员会、欧亚大陆桥专业委员会、决策支持系统专业委员会、山海开发研究专业委员会，发展到现在九个专业委员会：中国亚太研究会、人口健康与长寿专业委员会、国家安全战略与国防经济研究专业委员会、低碳经济系统研究专业委员会、城乡发展规划研究专业委员会、决策支持系统研究专业委员会、分享经济与创新网络系统研究专业委员会、文化产业研究专业委员会、智能社会与智能经济系统分析专业委员会。

当前，技能竞赛的重要性尚未得到普遍认可，激励机制的建立和完善显得更为重要。我们采取物质奖励和精神奖励相结合的原则，科学合理地设置奖励标准与办法，具体如下。

  

图1 气动磁镜结构示意图Fig.1 Schematic outline of a GDT device(reproduced from figure 1 in ref.[19])

中国科学院核能安全技术研究所·FDS凤麟核能团队自2009年起大力发展高通量聚变中子源[13]，积极开展基于GDT聚变中子源和聚变-裂变混合堆的概念设计研究[14-17]，以及开展相关的创新概念设计，如GDT高聚变能量增益方案等[18]。国际上，俄罗斯布德科尔核物理研究所（BINP）是首个提出GDT磁镜概念[10]，同时也是GDT装置研究世界领先的科研机构，拥有在运的GDT实验装置。近年来，BINP通过增加电子回旋共振加热系统（ECRH），将等离子体区的平均电子温度提高到了0.6～0.9 keV，达到了GDT磁镜聚变中子源所需的水平[19]。俄罗斯BINP已经将GDT聚变中子源列为该所发展重点[20]，从20世纪80年代末至今，提出了多种应用的聚变中子源概念设计[21-24]。美国利弗摩尔国家实验室（LLNL）、加州大学伯克利分校都相继开展了GDT聚变中子源进行聚变材料测试的概念探索研究[25,26]。德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）及亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心（HZDR）分别开展了GDT聚变中子源材料测试性能的理论评估研究及嬗变核废料的初步中子学分析研究[27,28]。

2 嬗变系统的设计

2.1 设计目标与准则

嬗变系统的主体结构主要由GDT聚变中子源驱动器和以嬗变次锕系核素为主要目标的次临界包层构成。嬗变系统的主要设计目标与准则如表1所示，其中嬗变系统运行在深度次临界状态，令中子有效倍增系数（keff）小于0.95，以保证整个系统的安全性。

 

表1 嬗变系统主要设计目标与准则Table 1 Main design objectives and constraintsof the transmutation system

 

嬗变系统的次锕系核素（MA）嬗变支持比（TSR，Transmutation support ratio）定义为：

 

即每年由嬗变系统嬗变掉的MA质量比上一座标准百万千瓦级别的压水堆（PWR，Pressurized Water Reactor）产生的MA质量。嬗变支持比应越大越好，以提高嬗变系统竞争力。

由于高血压并发症多、治疗周期长，患者除了生活质量和生命年的损失外，还伴有沉重的疾病经济负担。我国抵御疾病经济风险的基本医疗保险已形成了由城镇职工基本医疗保险制度、城镇居民基本医疗保险制度和新型农村合作医疗制度构成的主干层。重庆市于2012年7月将后两者合并，称为“城乡居民合作医疗保险”，城乡居民参加该医疗保险不再以户籍划分，并按两个档次的个人缴费水平自主选择，政府按实际参保人数每人每年提供财政补助。在此医疗保险政策背景下，本文研究高血压(Hypertension, HTN)患者的疾病经济风险，讨论政策实施中存在的障碍和局限，并提出相应建议。

在养路机械的点检管理应用中，细致的设备点检流程是保障点检工作全面化进行的重要环节。在设备点检的系统流程中，用户登录后会展示维护保养以及故障信息2种选择，在系统的维护保养流程中，按照图1所示的流程图，将每个机械设备进行编号设置，进而将点检工作精确至每台设备，逐步对不同编号的设备进行保养与处理。同时，在对某养路机械进行保养时，该系统流程会还精确至每一部位的维护与保养，促进养路机械使用年限的延长以及使用质量的提升。在故障维修方面建立起故障信息，利用计算机系统对故障数据进行记录，并对养路机械的故障状态以及维修状态进行系统的管理，以便于管理人员清晰地对养路机械状态进行了解。

由于氚的价格十分昂贵，完全靠外界补充是不切实际的，因此需要在次临界包层中额外布置氚增殖区，以补充装置氚的消耗。对于嬗变系统的氚增殖比（TBR，Tritium breeding ratio）定义为：

 

［12］IvanovAA,Prikhodko V V.Gas-dynamic trap:an overview of the concept and experimental results［J］.Plasma Physics and Controlled Fusion，2013，55（6）：063001.

19世纪中叶，统计学形成了两个主要的学派，数理统计学派与社会统计学派．随着概率论的成熟，为统计学的发展奠定了数学基础．19世纪中叶，比利时的阿道夫·凯特勒（1796—1874）主张用自然科学的方法研究社会现象，把古典概率论引入了统计学，使得统计学进入了一个新的发展阶段．不过凯特勒将自然科学的观点与方法机械套用到犯罪、道德等社会问题，混淆了自然现象与社会现象之间的本质区别．尽管如此，凯特勒把概率论引入统计学至少使得统计学在“政治算术”的“算术”方法基础上往准确化道路迈进了一大步，他为后期数理统计学的形成与发展奠定了基础．

次临界包层采用氦气作为冷却剂，考虑热工设计的要求，嬗变系统的次临界包层功率密度不应超过冷却剂的载热限制。参考文献［29］的氦冷包层设计，选择限制功率密度不超过100 MW/m3。

最后，为了提高嬗变系统的经济性，该嬗变系统被设计成能够产生一定的电力并实现整个系统的能量自给自足。

2.2 GDT聚变中子源驱动器

参考FDS凤麟核能团队前期研究过程中发展的GDT等离子体参数设计模型[14-18]，采用自主开发的反应堆设计参数优化与经济性分析软件SYSCODE[30]进行合理外推，得到GDT聚变中子源驱动器的主要等离子体参数，如表2所示。

 

表2 GDT聚变中子源驱动器的主要等离子体参数设计Table 2 Main plasma parameters of the fusion driver driven by GDT-based FNS

 

为抑制微观不稳定性，一方面将GDT聚变中子源的磁镜长度设计为30 m，能够满足在较高靶等离子体电子温度下，磁镜长度仍旧远大于靶等离子体的有效平均自由程，确保等离子体的约束行为符合GDT气体动力学行为。另一方面由倾斜注入的中性束产生的快离子在折返点位置高密度聚集，形成正电势的玻尔兹曼双极势垒。这个双极势垒能够降低进入损失锥的温离子，抑制GDT磁镜中最常见漂移回旋损失锥（DCLC）、阿尔芬离子回旋（AIC）微观不稳定性的激发。尤其是，对于Fire-hose微观不稳定性，通过增加中平面磁场强度、等离子体半径等优化设计，使得快离子压强的最大轴向分量pP满足：

 

从而抑制Fire-hose不稳定性的发生[17]。式中B0为GDT中平面的磁场强度，0m为真空磁感应系数。

由于快离子具有一定的角散射，快离子在折返点聚集的区域会沿轴向展宽。因此在GDT磁镜两端形成了两个中子源区，在本设计中其长度分别约为4 m，如图2所示。总长为8 m的高中子源区的中子产额能够达到5.23×1018n/s，平均线功率密度达到1.8 MW/m。

  

图2 GDT聚变中子源驱动的嬗变系统布局示意图Fig.2 Layout of the transmutation system driven by the GDT-based FNS

GDT聚变中子源在14.72 MW的聚变功率和70%的运行可用度的条件下，每年将燃烧氚约570 g。中性束注入系统将采用多束注入方式，以降低单束功率密度，同时降低中性束制造与维护难度。在工程设计中将会按照具体情况进行多束中性束注入的优化设计。

2.3 次临界包层

2.3.1 包层设计

嬗变系统的次临界包层设计采用现有成熟的裂变反应堆（压水堆和高温气冷堆）技术，同时根据GDT聚变中子源特点进行拓展创新。如根据GDT磁镜轴对称的特点，次临界包层采用完全模块化设计，即包层及其外围附带的屏蔽、冷却剂进出口通道、磁体结构均设计成一整个模块，便于维护与更换。次临界包层总共8个包层模块，每个包层模块宽为1 m，平均分布在GDT磁镜两端。GDT聚变中子源驱动的嬗变系统布局如图2所示。

本文设计的次临界包层目标定于嬗变次锕系核素，其次产生一定的能量满足整个系统的电力需求。次临界包层通过利用GDT聚变中子源驱动器提供的高能中子与次锕系核素反应，将后者嬗变成低放射性的、短寿命的或稳定的核素；同时与加入的部分或增殖的易裂变核素（如239Pu）发生裂变反应产生能量。

相比器官移植医学实践，我国器官移植立法起步较晚。2003年《深圳经济特区器官捐献移植条例》颁布，这是我国首部器官移植地方性法规。2006年卫生部制定《人体器官移植技术临床应用管理暂行规定》，2007年国务院通过《人体器官移植条例》，“任何组织或者个人不得以任何形式买卖人体器官，不得从事与买卖人体器官有关的活动”。关于器官移植可能承担的法律责任，除规定行政和民事责任外，还指出，违反本条例规定，有下列情形之一，构成犯罪的，依法追究刑事责任:未经公民本人同意摘取其活体器官的;公民生前表示不同意捐献其人体器官而摘取其尸体器官的;摘取未满18周岁公民的活体器官的。

次临界包层按照不同功能，由等离子体向外依次设置为缓冲层/第一壁、乏燃料焚烧区、氚增殖区、反射层及屏蔽层，各功能区用结构材料分隔。其中，乏燃料焚烧区添加的燃料来自常规压水堆所卸下来的乏燃料，其中包括次锕系核素（237Np 4%，241Am 48%，243Am 8%，244Cm 2%）、钚（238Pu 1%，239Pu 58%，240Pu 27%，241Pu 9%，242Pu 5%）和铀（235U 0.87%，238U 99.13%）。核燃料采用固态碳化物板状形式。氚增殖区中选用化学特性相对不活泼的液态铅锂共晶体（Li17Pb83）作为氚增殖剂，Li17Pb83准静态流动可以实现在线提氚、降低MHD效应问题和腐蚀问题。布置石墨反射层以便于提高中子的利用率，并安装屏蔽层以保护磁体和其他敏感仪器。次临界包层的结构材料采用自主研发的中国抗中子辐照钢CLAM[31]。

2.3.2 包层中子学分析

  

图3 （a）次临界包层中子学计算模型截面示意图（b）次临界包层功能区布局示意图（图中单位：厘米）Fig.3（a）Neutronics model of the subcritical blanket.（b）Layout of the functional zone（unit:centimeter）

本文计算模型基于GDT聚变中子源驱动的嬗变系统的次临界包层简化圆柱体模型。图3（a）展示次临界包层中子学计算模型截面示意图，图3（b）为经过局部放大后的次临界包层功能区布局示意图。表3列出了次临界包层不同功能区的材料成分及径向尺寸。次临界包层的中子学计算分析采用FDS凤麟核能团队自主开发的中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC[32,33]及混合评价核数据库HENDL[34]。

 

表3 次临界包层各功能材料成分与径向尺寸Table 3 Materials composition and radial sizes of the subcritical blanket

  

注：① 次锕系元素的碳化物形式；② 碳化钚；③ 碳化铀；④ 6Li富集度为90%

表4列出了1年燃耗计算主要中子学参数的结果。其中中子有效倍增系数keff保持为0.92，即深度次临界运行，满足设计要求。

 

表4 次临界裂变包层1年燃耗中子学性能Table 4 Neutronics parameters as function of burnup

  

注：① 假定热电转换效率为33%

同时，燃耗计算结果表明，经过一年嬗变后可处理掉约95.1千克的次锕系核素，系统的次锕系核素嬗变支持比约为4.8。这表明嬗变系统每年能够处理约4.8座百万千瓦级压水堆每年产生的次锕系核废料。

通过布置氚增殖包层，该嬗变系统运行一年内的氚增殖比均达到2左右，对比聚变发电堆的包层氚增值比要求在1.1～1.2[35]，因此能够为本嬗变系统的氚自持提供有力保障。

现在太多的人用了太多的时间去关注微博，其实是在浪费生命，而这些有效时间原本可以用来汲取更专业的更有价值的知识和思想的。——三联书店总编辑李昕说

包层的能量倍增因子M和热功率比寿期初略有升高，主要是因为在高能聚变中子的作用下，部分可裂变核素（如238U）俘获中子形成易裂变核素（239Pu），从而使得包层内热功率约增长6%。假设发电机的热电转换效率为33%，则可以产生约450 MW的电能。从表2所知，中性束加热系统的功率为90 MW，按照电能利用效率50%计算，则需要180 MW的电功率。考虑到中性束加热系统是GDT聚变中子源最主要的加热手段，其余辅助系统的电功率需求远小于中性束加热系统。因此裂变包层产生的能量已经基本满足整个系统的供电需求，实现自给自足。

此外，通过燃耗计算结果可以看出，经过一年燃烧之后，相比较外侧两个包层模块，中间两个包层模块燃耗深度要高出30%左右。一个换料周期后可将两侧包层替换中间包层继续燃烧，因此包层模块化设计可以更好的实现高的资源利用率。

3 结论

本文设计了一种利用GDT聚变中子源驱动的旨在高效处理次锕系核素的嬗变系统，主要包含GDT聚变中子源驱动器及次临界包层两大部分，其中：

（1）GDT聚变中子源驱动器具有两个长度4 m的高中子通量区，能够稳定地为次临界包层提供中子产额达到5.23×1018n/s的14 MeV高能聚变中子。

［13］吴宜灿，刘超，宋钢，等.强流氘氚聚变中子源HINEG设计研究［J］.核科学与工程，2016，36（1）：77-83.

实验结束可得到两个曲线，即面团发酵曲线和气体释放曲线。Hm是面团发酵曲线的最大高度，代表面团发酵过程中达到的最大高度，是酵母产气能力和面团持气能力的综合反映；h是测试结束时（对于本实验测试时间是3 h）的面团高度；(Hm-h)/Hm为发酵3 h的耐受性。H’m是气体释放曲线的最大高度，代表发酵过程中气体释放的最大速率，气体释放曲线反映发酵过程中酵母的产气能力；Total volume是整个实验过程中（3 h）的气体总释放量。

致谢 本文工作得到了中科院核能安全技术研究所·FDS凤麟核能团队其他成员的帮助和指导；同时，本文也得到了俄罗斯布德科尔核物理研究所Peter Bagryansky教授的帮助，在此一并感谢。

参考文献：

虽然顺利离场，但结局与此前的期望相去甚远。朱啸虎曾对媒体表示，以后不再投这种烧钱的项目，再也不投“认为自己什么都是对的创业者”。戴威也很委屈：资本为什么就不能理解创业者的理想和决心呢？

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氚增殖比应至少大于1，为氚自持提供可能性。

（2）旨在高效处理次锕系核素的次临界包层设计基于现有成熟的核裂变堆（压水堆和高温气冷堆）技术，并进行合理布局和优化设计。1年的燃耗计算结果表明，每年可嬗变95.1千克的次锕系核素，嬗变支持比达到4.8；氚增殖比达到2左右，为氚支持提供保障；同时产生约450兆瓦的电能，能够满足整个嬗变系统能量的自给自足。

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2008年以前，居民部门的杠杆率一直维持较低水平，而且增长较为缓慢，但是2008年之后，居民部门的杠杆率迅速上升，2008年到2017年增长了31个百分点，截止到2017年年底居民部门的杠杆率达到49%。杠杆率过快的增长意味着意味着偿付性风险和流动性风险的增加，但是由于中国居民具有大量的流动性资产可以对抗流动性风险，所以居民部门杠杆率风险并不高，横向对比可以发现，中国居民部门的杠杆率远远低于其他发达国家。因此并不需要过分担心中国居民部门的杠杆率。

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