通过质子加速器预测轰击诱导的长期裂变产物易位率

把问题废料变成更安全的东西

核电站在发电时不释放二氧化碳，但它们也产生少量在极长时间内保持放射性的废料。其中一种少数长期成分主导了长期危害，使得向公众证明核能对未来世代也是清洁的变得困难。本文探讨了一种高科技构想：使用强大的粒子加速器轰击金属靶，产生大量中子，这些中子可以“重排”废料中的原子，使其转变为衰变更快的形式，从而减轻未来存储场所的负担。

为什么少数原子会造成大部分问题

并非所有核废料都相同。作者关注六种特定的“长期裂变产物”，它们在成千上万到数百万年内保持放射性，并在其他材料被回收后主导残余毒性。这些是某些形态的硒、锆、锝、锡、碘和铯。由于它们主要发射不可见的贝塔射线并且危险性持续时间极长，因而推动了对高度安全处置库的需求。如果这些原子中的哪怕一小部分能够被转化为更安全、寿命更短的形式，整体的储存时间和复杂性就可以大幅减少。

用质子锤制造有用的中子

所提出的方法依赖于一种称为轰击（spallation）的过程。一束高速质子，接近光速，被发射到如铅或贫化铀等高密度金属靶中。当质子击中重核时，会触发剧烈的内部级联，喷出大量中子。这些中子比典型反应堆释放的中子更加丰富且能量更高。通过用装有长期废料的棒料包围靶并在间隙中填充重水与铍反射体，系统把加速器变成了一个定制的中子“锻炉”。中子在慢化剂中散射时速度降低，根据其能量，它们可以被废料原子俘获，使其转化为新的、通常危害更小的同位素。

寻找最佳靶材与布局

为了测试这一概念的效果，团队使用了跟踪单个粒子和核反应的详细计算机模拟。一组计算考察了不同的轰击靶金属。与铅相比，贫化铀每入射质子产生的中子约为其两倍，提升了六种废料类型的易位率约10–25%。然而，这种额外性能伴随着权衡：铀本身在束流中会发生裂变，产生额外的热量、新的废料以及持续产生该系统试图消除的某些长期产物。研究人员还研究了如何将各类废料棒安置在靶周。由于中子能量随距离变化，某些同位素在靠近靶的“更热”能谱中表现更好，而另一些则在更远处更热化、能量更低的中子环境中受益更多。

哪些废料原子值得付出努力？

模拟揭示了行为的多样性。锝、碘和硒对这种处理反应很好，在连续照射五年后，其质量有很大比例被转化。锡更顽固一些，但如果放置在中子已被慢化的区域仍能受益。相比之下，锆对中子几乎是透明的：即便通过精细调整能谱，它的消耗也很慢，处理成本会很高。铯则因另一原因变得棘手——其更常见的同位素先行吸收中子，导致问题同位素在数年内反而增加，然后才开始净减少。当将这六种元素装入同一容器时，“容易”的核素仍能高效易位，但难处理的铯和锆拉低了整体性能，并大幅提高了每千克处理的成本。

物理与成本之间的平衡

以所需强度运行一个1吉电子伏的加速器并不便宜。在研究的情景下，为加速器供电将从同址的典型大规模反应堆抽取约100兆瓦电力，约占其产出的十分之一，相当于每年数千万美元的收入损失。当这些能耗成本在模拟的易位率中摊销时，锝成为经济上最有吸引力的目标，而铯和锆的处理代价则高得难以承受。作者认为，现实策略可能集中于较容易的同位素，或对较难的同位素使用专门系统，而不是把所有东西混合在一起处理。

这对未来核废料意味着什么

通俗来说，这项研究表明，使用强大粒子束逐步削减一些核废料中最持久成分，在技术上是可行的，可以把它们转化为较少令人担忧的形式。该工作也清楚表明，并非所有废料的反应性相同：少数同位素是加速器驱动清理的有前景候选者，而其他同位素仍顽固或成本过高。通过详细描绘这些权衡，作者为结合物理学、工程学与经济学的更聪明设计提供了蓝图。如果未来的实验证实这些预测且加速器技术变得更高效，此类系统有望显著缩小核废料的长期危害，帮助核能更接近真正可持续的能源选择。

引用: Tukharyan, G., Kendrick, W.R., Yu, J. et al. Prediction of spallation induced transmutation rates for long-lived fission products via proton accelerator. Sci Rep 16, 8585 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38736-9

关键词: 核废料, 轰击（spallation）, 易位（transmutation）, 质子加速器, 长期裂变产物