混合核反應(yīng)堆是規(guī)模能源“明日之星”

化石能源是有限的，百年之后將面臨枯竭，人類迫切地需要新的替代能源。Z-FFR能為解決能源、環(huán)境、氣候問題提供優(yōu)良的一攬子解決方案，并有望成為未來規(guī)模能源的主力。

核能，是通過核反應(yīng)從原子核釋放的能量，其釋放的方式包括核裂變、核聚變和核衰變3種。其中，核聚變因?yàn)榘踩愿?、放射性少，一度成為科學(xué)家心中追求未來能源的理想目標(biāo)。

混合：取長補(bǔ)短的方案

“不管用何種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)核聚變，純聚變能源系統(tǒng)都因其技術(shù)難度、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性方面的問題，與太陽能等可再生能源相比不具有競爭力。而核裂變能中的熱堆由于資源利用率過低不可能成為未來能源，快堆則由于其經(jīng)濟(jì)性、后處理、倍增時(shí)間及安全性等方面的原因，發(fā)展也受到了制約。”中國工程院院士、中國工程物理研究院研究員彭先覺告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。

經(jīng)過多年研究，彭先覺提出把聚變和裂變進(jìn)行巧妙結(jié)合，利用次臨界能源堆對聚變能的放大作用（20倍左右），可大幅度降低對聚變中子源強(qiáng)度的要求，為聚變技術(shù)應(yīng)用于能源的可行性創(chuàng)造條件；而大量聚變中子的加入，又為改進(jìn)或去除裂變堆的缺點(diǎn)提供了可能。因此，彭先覺認(rèn)為，聚變和裂變的結(jié)合，是未來核能源發(fā)展一個(gè)非常有前景的方向。

兩項(xiàng)獨(dú)創(chuàng)關(guān)鍵技術(shù)

早在2008年10月，彭先覺正式提出這種全新核能源的概念，即“Z-箍縮驅(qū)動(dòng)聚變裂變混合堆（Z-FFR）”。目前“Z-FFR”在中國工程物理研究院及下屬多個(gè)研究所、國防科工局、中國ITER中心、國家自然科學(xué)基金委的參與支持下已進(jìn)行了近十年的深入概念研究，形成了基本的設(shè)計(jì)方案，從物理原理、材料、工藝技術(shù)等各方面都未發(fā)現(xiàn)有不可逾越的障礙。

在這個(gè)設(shè)計(jì)方案里，Z-FFR主要包含3個(gè)部分：Z-箍縮驅(qū)動(dòng)器、聚變靶及爆室、次臨界能源堆。所謂Z-箍縮，就是當(dāng)電流流過柱形套筒導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生角向磁場，該磁場作用于導(dǎo)體載流子，將產(chǎn)生指向柱中心軸的洛倫茲力，即壓力，并導(dǎo)致自箍縮效應(yīng)。

“當(dāng)電流達(dá)到數(shù)十兆安量級時(shí)，產(chǎn)生的磁壓力十分巨大，達(dá)百萬大氣壓以上，驅(qū)動(dòng)套筒等離子體高速向心內(nèi)爆，速度可達(dá)每秒數(shù)百公里，能為靶丸實(shí)現(xiàn)聚變創(chuàng)造良好的條件。利用Z-箍縮驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)聚變的優(yōu)勢就在于驅(qū)動(dòng)器技術(shù)相對簡單、造價(jià)低廉、能量充足且轉(zhuǎn)換效率高。”彭先覺說。

在Z-FFR方案中，有兩項(xiàng)重要關(guān)鍵技術(shù)是獨(dú)創(chuàng)，這就是慣性約束聚變靶和次臨界能源堆。

在慣性約束聚變靶的設(shè)計(jì)中，彭先覺認(rèn)為，需要重點(diǎn)把握的3個(gè)關(guān)鍵因素是：提供給靶的能量、解決聚變?nèi)剂蠅嚎s的球?qū)ΨQ性及燃料的點(diǎn)火燃燒問題。因此，他創(chuàng)造性地提出了一種與美國LLNL“中心點(diǎn)火靶”設(shè)計(jì)理念完全不同的“局部整體點(diǎn)火靶”模型，并設(shè)計(jì)了套筒與靶能量傳遞結(jié)構(gòu)，經(jīng)過各項(xiàng)數(shù)值計(jì)算表明，“局部整體點(diǎn)火靶”模型更勝一籌，能夠?qū)崿F(xiàn)GJ級聚變放能。

在次臨界能源堆方面，彭先覺主張走與“傳統(tǒng)”次臨界堆完全不同的設(shè)計(jì)路線，以能源為目標(biāo)，克服現(xiàn)有裂變堆面臨的瓶頸問題，力求簡明、簡便、安全、經(jīng)濟(jì)。在該理念的指導(dǎo)下，他提出了以天然鈾金屬合金為初始燃料，輕水為傳熱、慢化介質(zhì)并與壓水堆技術(shù)結(jié)合的設(shè)計(jì)。為使該技術(shù)路線可行，他與團(tuán)隊(duì)還提出了具體的設(shè)計(jì)方案，徹底地解決了反應(yīng)堆的臨界安全和余熱安全問題。

驅(qū)動(dòng)器方面，彭先覺認(rèn)為，目前來看至少用于聚變研究的60兆安電流的驅(qū)動(dòng)器是可建成的。而能源應(yīng)用的難點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)器的長壽命，如果壽命大于1年，則要求電容器、開關(guān)的重復(fù)運(yùn)行次數(shù)達(dá)300萬次以上，這在目前尚沒有確切的把握。

但從基本參數(shù)看，困難也不是不可克服的。針對60～70兆安級驅(qū)動(dòng)器方案，團(tuán)隊(duì)提出了幾項(xiàng)主要技術(shù)措施，如采用LTD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低基本放電單元的能量和功率；增大電流脈沖上升前沿時(shí)間和負(fù)載半徑；提出新型的磁絕緣傳輸線（MITL），等等。他認(rèn)為，“經(jīng)過對元器件、材料的攻關(guān)，是有望達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的。”

未來規(guī)模能源的主力

“Z-FFR充分體現(xiàn)了聚變和裂變優(yōu)勢互補(bǔ)的特點(diǎn)，大大提高了核能的安全性，沒有臨界安全問題，也完全避免了余熱安全問題；提升了經(jīng)濟(jì)性，100萬千瓦堆建造成本預(yù)計(jì)在30億美元；增加了持久性，鈾、釷資源利用率可達(dá)90%以上，可為人類供能數(shù)千年；體現(xiàn)了環(huán)境友好性，核廢料很少，易處置，因而它是具有極強(qiáng)競爭力的未來能源。”彭先覺說。

基于項(xiàng)目的特點(diǎn)和重要意義，彭院士團(tuán)隊(duì)提出了如下的研究發(fā)展路線圖：2025年前是關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，希望建成50兆安左右的驅(qū)動(dòng)器以驗(yàn)證聚變；2025年到2035年為技術(shù)集成和功能演示階段；力爭2035年左右進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用演示。

彭先覺說，當(dāng)前，全世界都面臨著能源危機(jī)，最主要的原因就是人們過度依賴化石能源。而化石能源是有限的，百年之后將面臨枯竭，人類迫切地需要新的替代能源。Z-FFR能為解決能源、環(huán)境、氣候問題提供優(yōu)良的一攬子解決方案，并有望成為未來規(guī)模能源的主力。