探索混合核反应堆技术 贡献全新能源解决方案——中国工程物理研究院彭先觉院士

2017-11-16

核能，就是通过核反应从原子核释放的能量，其释放的方式包括核裂变、核聚变和核衰变3种。核裂变能是通过中子与铀、钚等重原子核发生反应，使之分裂成两个或两个以上碎片而释放出的能量；核聚变能则是由两个轻原子核结合在一起形成更重的原子核时释放出的能量。其中，核聚变因为安全性高、放射性少，一度成为科学家心中追求未来能源的理想目标。

经过多年研究，中国工程物理研究院研究员彭先觉院士认为，不管用何种技术途径实现核聚变，纯聚变能源系统都因其技术难度、经济性和可持续性方面的问题，与太阳能等可再生能源相比将不具有竞争力。而核裂变能中的热堆由于资源利用率过低不可能成为未来能源，快堆则由于其经济性、后处理、倍增时间及安全性等方面的原因，发展也受到了制约。因此，他提出把聚变和裂变进行巧妙结合，利用次临界能源堆对聚变能的放大作用（20倍左右），可大幅度降低对聚变中子源强度的要求，为聚变技术应用于能源的可行性创造了条件；而大量聚变中子的加入，又为改进或去除裂变堆的缺点提供了可能。因此，聚变和裂变的结合，是未来核能源发展的一个非常有前景的方向。

彭先觉院士在2008年10月正式提出了这种全新核能源的概念，即“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆（Z-FFR）”。目前“Z-FFR”在中国工程物理研究院及下属多个研究所、国防科工局、中国ITER中心、国家自然科学基金委的参与支持下已进行了近十年的深入概念研究，形成了基本的设计方案，从物理原理、材料、工艺技术等各方面都未发现有不可逾越的障碍。

在这个设计方案里，Z-FFR主要包含3个部分：Z-箍缩驱动器、聚变靶及爆室、次临界能源堆。所谓Z-箍缩，就是当电流流过柱形套筒导体时（Z方向电流）会产生角向磁场（θ方向），该磁场作用于导体载流子将产生指向柱中心轴（径向）的洛伦兹力（即压力），并导致自箍缩效应。当电流达到数十兆安量级时，产生的磁压力十分巨大（百万大气压以上），驱动套筒等离子体高速向心内爆，速度可达每秒数百公里，能为靶丸实现聚变创造良好的条件。利用Z-箍缩驱动实现聚变的优势就在于驱动器技术相对简单，造价低廉，能量充足且转换效率高。

在Z-FFR方案中，有两项重要关键技术是独创，这就是惯性约束聚变靶和次临界能源堆。

在惯性约束聚变靶的设计中，彭先觉认为需要重点把握的3个关键因素是：提供给靶的能量、解决聚变燃料压缩的球对称性及燃料的点火燃烧问题。因此他创造性地提出了一种与美国LLNL“中心点火靶”设计理念完全不同的“局部整体点火靶”模型，并设计了套筒与靶能量传递结构，经过各项数值计算表明，“局部整体点火靶”模型都更胜一筹，能够实现GJ级聚变放能。

在次临界能源堆方面，彭先觉主张应走与“传统”次临界堆完全不同的设计路线，以能源为目标，要克服现有裂变堆面临的瓶颈问题，力求简明、简便、安全、经济。在该理念的指导下，提出了如下设计，即以天然铀金属合金为初始燃料，轻水为传热、慢化介质并与压水堆技术结合。

为使该技术路线可行，他与团队还提出水从锆合金水管中流过，水管穿过块状金属铀部件的设计方案；采用合适铀水比，以获得较高的易裂变核素增殖比，使核燃料在许多年内都可以保持良好核性能，因而可在数百年内使用“干法”进行核燃料循环，并大大减少了核废料生成量（每年200千克左右）；设立专门的屏蔽区，确保外部环境为极低放射性水平，有望大大延长场址的使用寿期；创新地设计了高效闭式水汽循环（水直接送至燃料区边）的非能动余热排出系统和非能动放射性气体导出系统，彻底地解决了反应堆的余热安全问题。

驱动器方面，彭院士认为，目前来看至少用于聚变研究的60兆安电流的驱动器是可建成的。而能源应用的难点在于驱动器的长寿命，如果要求寿命大于1年，则要求电容器、开关的重复运行次数达300万次以上，这目前尚没有确切的把握。但从基本参数看，困难也不是不可克服的。针对60～70兆安级驱动器方案，团队提出了几项主要技术措施，如采用LTD拓扑结构，降低基本放电单元的能量和功率及增大电流脉冲上升前沿时间和负载半径等。经过对元器件、材料的攻关，是有望达到预期目标的。

Z-FFR充分体现了聚变和裂变优势互补的特点，大大提高了核能的安全性（没有临界安全问题，也完全避免了余热安全问题）、经济性（100万千瓦堆建造成本预计在30亿美元）、持久性（铀、钍资源利用率可达90%以上，可为人类供能数千年）和环境友好性（核废料很少，易处置），因而是具有极强竞争力的未来能源。基于项目的特点和重要意义，彭院士团队提出了如下的研究发展路线图：2025年前是关键技术攻关阶段并希望建成50兆安左右的驱动器以验证聚变；2025年到2035年为技术集成和功能演示阶段；力争2035年左右进行工业应用演示。

当前，全世界都面临着能源危机，最主要的原因就是人们过度依赖化石能源。而化石能源是有限的，百年之后将面临枯竭。人类迫切地需要新的替代能源。Z-FFR能为解决能源、环境、气候问题提供优良的一揽子解决方案，并有望成为未来规模能源的主力。

院士简介

彭先觉，核物理专家。1941年出生于湖南湘潭县。1964年从哈尔滨军事工程学院原子工程系毕业后分配至二机部九院（中国工程物理研究院）理论部从事核武器的理论研究及设计工作。1999年起任院科技委主任，同年当选为中国工程院院士。1993年起兼任原国防科工委核试验专家组组长（两组长之一），2002年起兼任总装备部科技委兼职委员，核武器技术专业组组长。2007年10月被聘为国家磁约束聚变专家委员会主任。现为博士生导师。曾获“科学大会奖”，“国家科技进步一等奖”3项、二等奖2项、三等奖2项及部委级奖多项。1994年获“国家有突出贡献中青年专家”称号，1992年获“光华科技基金一等奖”，1997年获“何梁何利基金科技进步奖”。