近日，美國費米國家加速器實驗室(Fermilab)和阿貢國家實驗室正攜手合作，致力于開發一種實用方法，以降低超導直線加速器的尺寸和成本。這一技術在應對廢核燃料中長壽命放射性同位素的挑戰方面潛力巨大。

阿貢國家實驗室物理學家邁克爾·凱利將超導腔體裝入大型熔爐。圖片來源：阿貢國家實驗室

美國能源部(DOE)下屬的阿貢國家實驗室和費米國家加速器實驗室已獲得美國能源部高級研究計劃局(ARPA-E)320萬美元資助。這筆資金屬于ARPA-E“核能廢料嬗變優化”(NEWTON)項目的一部分，該項目旨在讓美國商用廢舊核燃料的后處理在30年內實現經濟可行性。

嬗變是原子核轉化為不同化學元素或同位素的過程，在此情形下，廢核燃料中的長壽命放射性同位素會轉化為短壽命同位素。ARPA-E NEWTON項目支持的技術(如嬗變)將加快美國廢核燃料庫存的處理周期，提升安全性并減少永久長期儲存所需的資本支出。

研究表明，在應對美國核電站9萬噸核廢料帶來的挑戰方面，粒子加速器在現有技術中潛力最大。超導腔作為線性粒子加速器中堆疊的專用組件，可有效將帶電粒子(如質子)加速到能量接近10億電子伏特(GeV)的高速。

阿貢國家實驗室物理學家兼團隊負責人邁克爾·凱利表示，這些質子束通過散裂過程，能從由鉛或鉍制成的重元素靶中產生強中子流。當中子射向核反應堆內的放射性廢物時會成倍增加，進而燃燒用過的核燃料，將其轉化為衰變速度更快的物質。

不過，目前大多數由純鈮制成的加速器腔體體積龐大，每個造價高達數十萬美元，需使用昂貴的中央低溫裝置冷卻，該裝置需大量溫度在2至4開爾文之間的液氦。當六到八個腔體單元(低溫模塊)串聯時，尺寸相當于火車貨車廂。

在為該項目分配的320萬美元中，阿貢國家實驗室和費米實驗室將獲得約220萬美元，用于開發減小超導直線加速器尺寸和成本、同時提高其可靠性的實用方法。

凱利和他的團隊將利用新興的Nb?Sn(俗稱“鈮三錫”)薄膜技術，制造尺寸更小、性能更佳的超導腔。這種薄膜厚度僅2至3微米，約相當于蜘蛛網大小，團隊將通過“氣相擴散”工藝制造這些腔體。

新型鈮-三錫腔體所需氦氣冷卻量更少，還能用可能只有咖啡罐大小的腔體取代如今熱水器大小的大型腔體，加速器低溫模塊的物理尺寸將縮小三到五倍。

凱利稱：“我們認為這意義重大，除非進行更多研發，否則無法確切知道規模和成本的降低幅度，這正是本次研發計劃要解決的主要問題。”

鈮-三-錫技術有助于消除低溫裝置相關的單點故障，能用新一代小型插入式制冷機取代大型液氦制冷機。通常，液氦制冷機故障會導致加速器完全關閉。研究人員希望通過淘汰大型制冷機，用一組分布式容錯10瓦低溫冷卻器取代，避免這種強制關機。

參與該項目的另一位阿貢物理學家Brahim Mustapha表示，加速器必須極其可靠，正常運行時間需達到95%或更高，以避免嬗變過程中斷。若加速器停止，反應堆內產生中子的散裂靶會冷卻，重新啟動時靶會升溫，頻繁的停停啟動序列會產生熱應力和機械應力，可能損壞靶。

凱利的團隊已在使用阿貢串聯直線加速器系統(ATLAS)，該系統是美國能源部科學辦公室在阿貢國家實驗室的用戶設施，團隊正通過開發低溫冷卻器提高系統可靠性。作為獨立項目的一部分，團隊運用人工智能、機器學習和其他策略，最大限度減少因故障導致的加速器停機時間。

參與ARPA-E NEWTON資助項目的研究人員的最終目標是演示兩個針對接近50%光速的質子進行優化的高性能鈮三錫涂層腔體，這是邁向全高功率加速器的關鍵一步。他們還計劃開發針對鈮三錫優化的端到端直線加速器設計和概念布局。

該項目面臨諸多挑戰。例如，中速腔體表面難以觸及，需要相對復雜的幾何形狀，這些不規則形狀可能阻礙光滑均勻的鈮-三錫薄膜沉積，導致污垢或灰塵等雜質進入薄膜涂層造成污染，即使是微小污染物或幾何不規則性都可能降低超導腔性能。

阿貢國家實驗室團隊主要負責鈮-三錫直線加速器及腔體的設計與演示，費米實驗室則提供專業知識和基礎設施，用于執行鈮-三錫技術的基礎——氣相擴散工藝。格里戈里·埃列梅耶夫(Grigory Eremeev)和薩姆·波森(Sam Posen)兩位資深科學家，均于2016年榮獲美國能源部早期職業獎，他們正在領導費米實驗室的工作。

波森稱：“能源部的支持使費米實驗室能夠開發出高性能鈮-三錫涂層設施，并開發出在復雜幾何形狀腔體中實現高性能的技術，現在我們正以此為基礎，推進涂層技術的發展，并將其應用于這些激動人心的應用。”

埃雷梅耶夫表示：“鈮-三-錫薄膜對于此類應用至關重要，雖然復雜的幾何形狀對于沉積來說具有挑戰性，但我們在與阿貢國家實驗室的合作中已經取得了優異的成果。”

展望未來以及加速器整體建設，實現該技術的工業化至關重要。為實現這一目標，該項目與兩家公司合作。RadiaBeam將實現鈮錫腔體制造工藝的大部分或全部工業化，而RadiaSoft將對擬議的直線加速器設計進行可靠性研究。

該項目是2025年選定的11個項目之一，將獲得ARPA-E NEWTON計劃4000萬美元的資助，用于開發能夠實現廢核燃料轉化的尖端技術。

獲資助的另一個項目將補充阿貢國家實驗室和費米實驗室的聯合研究。在阿貢國家實驗室核科學與工程部門核系統分析小組負責人、首席核工程師Taek Kim的帶領下，一個研究小組正在開發一種采用創新分離方法去除裂變過程中廢棄副產品的新型嬗變系統，該方法利用基于裂變產物反沖距離的離心力。裂變是將一個原子核分裂成兩個或多個較小原子核的過程，并釋放出大量能量。

這些項目將共同構建一個完整的加速器驅動的核廢料嬗變系統。通過顯著降低現有商用廢核燃料庫存的質量、體積、活度和有效半衰期，這些項目以及其他由ARPA-E NEWTON資助的項目將有助于把廢核燃料處置從代際問題轉變為代內問題。

除了阿貢實驗室的凱利和穆斯塔法、費米實驗室的埃列梅耶夫和波森之外，項目團隊還包括阿貢實驗室工程師特洛伊·彼得森和托馬斯·里德、費米實驗室技術員布拉德·坦尼斯、RadiaBeam工程師羅納德·阿古斯特森以及RadiaSoft總裁喬納森·埃德倫。