能源是驱动我们社会发展的原动力，每次新能源的发现和利用都产生了人类划时代的发展。我们的生活无法离开能源。从2006年世界能源消费量统计表（表2.7）可以发现：能源消费总量是衡量一个国家实力的指标，人均能源消费量是衡量一个国家人民生活质量高低的硬指标。我国将发展新能源作为一个重要工作重点。

世界的能源问题和现状：随着经济发展和人口增长，世界一次性能源消费量不断增加；世界能源消费结构发生变化，但在世界一次能源供应中仍然以化石燃料为主；伴随着能源消费的持续增长和能源资源分布集中度的日益增大，对能源资源的争夺日趋激烈，争夺的方式也更加复杂；化石能源对环境的污染和全球气候的影响日趋严重。

2006年世界能源消费量统计：

我国的能源问题和现状：资源总量比较丰富，但人均资源短缺；资源和结构赋存分布不均衡：以煤为主（～75％）、石油短缺、可再生能源和核能比例低；开发难度较大、运输困难；能源利用效率较低，新能源比例低；环境污染严重；随着中国经济的发展，能源已成为中国和平崛起的硬约束条件。

石化燃料不可再生，世界价格越来越高，且难以无限使用；风能、太阳能和生物质能等可再生能源受各种条件约束，难以满足人类发展需求；提高现有能源的利用效率，不能从根本上解决问题。核电是安全清洁的能源，是当前世界上唯一技术成熟，可以实现大规模减排温室气体的重要途径。

利用裂变反应发电的核电站是一些国家的主要发电设施，也是解决人类未来能源的一个重要途径。目前，全球共有430多座核电机组在运行，总装机超过370GW（百万千瓦发电量），提供全球约1/5的电力，有40多座发电反应堆正在建设。中国核电目前在整个电力中约占2％；美国：约30％；法国：约75％；韩国：约45％。我国大陆有秦山、大亚湾、岭澳和田湾等核电站在运行中。现在我国核电约9.1GW，到2020年核电将达到70GW，在建30  GW，是目前世界上核电在建规模最大的国家。

核电存在一个重要的问题，就是核废料的处理。长寿命的高放废料半衰期有的长达亿年，如何处理就成了一个棘手的问题。目前的办法是首先加工使之浓化、固化，然后找一个安全的地方贮存、深埋。这是十分困难而且耗资巨大的措施。并且这种方案并未彻底解决高放射性（高毒）废物泄入生物圈的危险。另一方面，现在的核电站多以235U为燃料，它只占天然铀资源的0.72％。根据国际原子能机构2008年的预测，以现有的铀矿储量，仅可以满足全球70-80年的核电需求。随着世界各国核电的大规模发展，铀资源短缺的问题将日趋突出。

快增殖堆将含量较丰的238U（99.27%）加以利用，将使铀资源的利用率提高50-60倍，部分解决238U堆积浪费、污染环境问题。但快增殖堆不能将铀资源完全利用，也不能解决高放核废料的问题。

另外一种利用核能的方式是聚变反应堆。核聚变反应可以释放能量一事，约在80年前就被科学家发现了。但一般认为聚变核能的工业应用几十年以后才有可能实现。

针对核电废料的处理，20世纪70年代，欧洲开始了核废料的分离和嬗变研究。90年代，日本、前苏联和美国提出了加速器驱动嬗变技术（ADS）方案。ADS可将高放长寿命废料转化为短半衰期或根本无放射性的废料。其方案是利用强流质子直线加速器提供能量在1～1.5GeV之间，平均流强为10～200mA的质子束轰击周围有裂变的物质的液态汞或者铅－铍靶，产生的中子经慢化、倍增后，与经过适当处理的循环流动的核燃料及裂变产物相作用放热、发电。

ADS也可用238U（天然铀的99.3%）或232Th发电。我国是钍蕴藏大国。由于其工作在次临界状态，因加速器可以瞬时停止，故整个装置比较安全可靠。它发出的电能约90%可供给电网使用。由于无核污染、无核废料和高安全度，ADS核电系统也叫洁净核能源。经过数十年的努力，各国科学家都先后认识到，利用强流质子直线加速器驱动的洁净核能源装置是进行嬗变核废料处理最有效的技术路线，也是未来最有效安全、洁净利用核能的设备之一。是公认的核电新技术，被称为“第五代核电技术”，是目前国际核电研究的最前沿，是未来处理核废料最安全有效的途经。目前我国将发展洁净核能源技术作为国家战略，典型的洁净核能源结构原理和方案如图2.7和图2.8所示。

每台洁净核能源机组造价约为200亿元，其中加速器部分为60亿元。每个电站至少需要两组洁净核能源机组。随着洁净核能源技术的发展，其市场前景无限。

美国能源部于1999年制订了加速器嬗变核废料工艺的路线图，称ATW计划。2001年正式实施先进加速器技术应用的AAA计划，全面开展ADS相关的研究工作。为了发展ADS的关键技术和验证有关参数，洁净核能源的关键技术预研项目——散裂中子源（SNS）在2000年开始建造。其参数和结构与ADS基本一致（质子直线加速输出流强为26mA，能量为1.0GeV；主要加速结构为超导加速器（186MeV～1.0GeV），输出功率为1.4MW）。2006年建造完成，2009年束流功率到达1.0  MW，是目前为ADS技术的最高水平。现在，ADS研究是美国先进核燃料循环系统AFCI的有机组成部分。                       
 

图2.7  洁净核能源原理

图2.8 洁净核能源技术方案

日本从1988年10月启动了最终处置核废料的长期研究与发展计划，称为OMEGA计划。2001年，由日本原子能所和高能所（JAERI—KEK）联合开始建造强流质子加速器(J-PARC)装置，包括600MeV的强流质子加速器以驱动全尺寸的ADS系统。2009年建造完成，现在正在调束。其质子直线加速器参数：流强为30mA，能量为181  MeV。由于日本超导技术不成熟，在该装置中没有用ADS核心部件——超导加速器。超导加速器计划在升级中使用。另外，强流质子加速器项目  (HIPAP)真正进行。洁净核能源正在由JAERI的嬗变实验设备组研制，预计于2030年建成由2万千瓦束流驱动的80万千瓦输出功率的洁净核能源。

在欧洲：欧盟有ADOPT计划；法国用于洁净核能源的强流质子注入器（IPHI）正在研制；意大利用于洁净核能源的TRASCO正在研制。

韩国有HYPER计划：2002年韩国原子能研究院开始洁净核能源预研项目——PEFP的研制。预计2012年在庆州完工。韩国也是由于超导技术不成熟，在PEFP中没有使用超导加速器。其参数为：质子束流强为20mA，能量为100MeV。韩国原子能研究院正在大力研制超导加速器，计划在PEFP升级项目中使用。

中国于1995年在丁大钊、方守贤、何祚庥、王方定、王乃彦、赵仁恺等院士的倡议下，在中国原子能科学研究院成立了ADS研究小组。1999年，国家科技部批准立项，ADS列入到国家重点基础发展规划项目中。2000年国家重点基础研究发展规划项目“加速器驱动洁净核能系统（简称ADS）的物理及技术基础研究”在中国原子能科学研究院启动实施。同年中国科学院高能物理研究所成立超导实验室，开始超导椭圆腔研制；中国科学院高能物理研究所和中国原子能研究院开始四极射频加速器(RFQ)研究；中国原子能研究院开始漂移管加速器（DTL）研究。2007年ADS再次得到“973计划”的支持。经过15年的研制，中国的在ADS核心技术方面的现状是：ADS系统目前还处于基础研究的阶段（见方守贤2010年1月14日报告《加速器驱动次临界系统（ADS）与核能可持续发展》）。截至目前，超导加速器只做了一个单单元β=0.45的1.3GHz模型铌腔。2005年选址广东省东莞，开始中国散裂中子源研制，其质子直线加速器参数：流强15mA,  能量80MeV。2011年，我国启动了洁净核能源项目（CADS），选址在广东省惠州市，目前由中科院近代物理研究所进行研究，已经取得阶段性成果。

洁净核能源可以燃烧含量较为丰富的铀-238（天然铀的99.3%）和钍-232，也可处理核废料，同时发电；其产生较少的长寿命核废料；具有固有安全性，可以从根本上避免传统核电站发生重大事故的可能；是目前公认的核电新技术，被称为“第五代核电技术”，是目前国际核电研究的最前沿，是未来处理核废料最安全有效的途经。南京质子源致力于洁净核能源的研究与开发，使我国在新能源领域占领制高点，成为这个领域的领导者。