從完成概念設計到開展實驗堆研究將帶來哪些驚喜？

2017-12-22 14:35:09 來源:科技日報作者:盛利　點擊量：評論 (0)

今年12月初舉行的國防郵電產業職工技術創新成果展上，中國工程物理研究院核物理與化學研究所參展的Z箍縮聚變-裂變混合堆（簡稱：Z-FFR）模型，再次點燃了人們關于千年能源的無限遐想。從2008年中物院率先提出Z箍

今年12月初舉行的“國防郵電產業職工技術創新成果展”上，中國工程物理研究院核物理與化學研究所參展的Z箍縮聚變-裂變混合堆（簡稱：Z-FFR）模型，再次點燃了人們關于“千年能源”的無限遐想。

從2008年中物院率先提出“Z箍縮大能量驅動-局部體點火聚變概念”和“先進次臨界能源堆”概念；到2011年Z-FFR概念設計研究獲得國防科工局核能開發項目支持；再到今年2月該項目通過驗收，形成Z-FFR基本技術路線和實驗堆初步概念設計。目前，該研究正進入開展“Z箍縮驅動聚變-裂變混合實驗堆”關鍵技術研究的嶄新階段。

未來該研究將帶來哪些成果和突破？記者目前獨家采訪了中物院核物理與化學研究所混合堆研究團隊。

一條有競爭力的能源技術路徑

受控熱核聚變能的實現方式主要有兩種，慣性約束核聚變和磁約束核聚變。近年來，我國氘氚聚變點火研究進展顯著，但在聚變燃燒的基礎上發展純聚變能源，仍面臨能量增益、材料耐輻照、氚自持等一系列重大科學問題，尋找突破聚變能源技術瓶頸的有效途徑已是國際共識。

這其中聚變裂變混合反應堆被認為是一種新路徑。

這是由彭先覺院士基于武器設計靈感，集近期可獲得的聚變技術和較成熟的裂變技術，通過精密設計系統內的中子能譜分布，創新性提出的核聚變能源利用新構型。

團隊首席專家李正宏研究員說，按照今年2月通過驗收的設計方案，Z-FFR主體由Z箍縮聚變堆芯和能源包層構成，堆芯產生聚變中子，驅動包層裂變，實現中子增殖和能量的放大輸出，并維持堆的氚自持。

李正宏說，要實現同等規模的能量輸出，Z-FFR相比純聚變堆可將材料中子輻照損傷和氚消耗降低約一個量級，能量增益提高一個量級，大幅降低建堆的難度。“Z-FFR直接利用貧鈾作為裂變燃料，通過加熱除氣實現燃料再生，鈾的循環利用可將資源利用率提高到90%以上。”

同時，Z-FFR對聚變/裂變資源的合理搭配使用，可以實現聚變、裂變、造钚和造氚等核反應之間的有利影響與相互支持，具有安全可靠、資源持久、環境友好、防止核擴散等特點。

“實驗堆”將為商業示范“打前站”

盡管未來光明，但要將Z-FFR設計概念發展成可規模部署的能源堆技術仍需“一大步”，這就是“實驗堆”。

“建立必要的綜合性研究平臺，以驗證能源背景下Z箍縮聚變、深次臨界能源包層、燃料循環等關鍵技術，對Z-FFR相關的物理、技術、材料和工程問題進行系統研究與試驗，以充分降低其工程技術風險。”李正宏說，團隊的Z-FFR實驗堆建設計劃，正是圍繞上述目標提出。

他介紹，擬建設的Z-FFR實驗堆，將研制由10MW級Z箍縮聚變堆芯、可變構型能源包層實驗系統、在線氚燃料循環實驗系統等構成的綜合性研究平臺，逐步突破能源背景下Z箍縮聚變、深次臨界能源包層和燃料循環等方面的關鍵技術，開展Z-FFR物理、技術、工程問題研究和技術集成，為后續發展Z-FFR商業示范堆創造必要條件等。

談到項目可行性，團隊首席專家助理黃洪文研究員認為，自20世紀末基于Z箍縮的慣性約束核聚變已取得里程碑式進展，為“實驗堆”研發奠定良好基礎。“2010年美國提出Z箍縮聚變物理設計（MagLIF），預期可在30MA電流條件下實現聚變點火與燃燒；2012年，俄羅斯啟動50MA的貝加爾（Baikal）裝置的建設，現已完成工程設計，有望實現Z箍縮慣性約束聚變點火的歷史性突破。”

在我國，早在2008年中物院就提出了“Z箍縮大能量驅動-局部體點火聚變概念”和“先進次臨界能源堆”概念，研究證實可以在約等于40MA電流條件下實現聚變點火燃燒和貧鈾的直接利用；同年10月，相關團隊進一步提出將Z箍縮聚變技術與先進次臨界能源堆技術結合，形成以滿足能源應用為基本訴求的Z-FFR概念。特別是自2011年Z-FFR概念設計研究立項后，研究團隊已形成基本技術路線、實驗堆初步概念設計等，為開展下一階段Z-FFR實驗堆的研制工作提供了前提條件。

“此外，中物院長期從事爆炸式聚變、裂變反應裝置的研制、運行和相關物理、技術、工程、材料等問題的研究，建有大型科學計算平臺、多用途研究堆、聚龍一號裝置、臨界/次臨界裝置及在線產氚實驗平臺等一系列重大基礎研究設施，具備開展Z-FFR實驗堆研制工作的技術能力和基礎條件。”黃洪文說。

或引發核能源研究“蝴蝶效應”

“作為一項未來的尖端大科學設施，‘實驗堆’的建設不僅有利于聚變裂變混合堆研究本身，更可為我國強輻射物理、高能密度物理、天體物理等基礎科研提供不可多得的實驗研究條件。”中物院核物理與化學研究所所長彭述明研究員說。

他認為，“實驗堆”將有利于我國慣性約束聚變能源科學、技術與工程體系的構建，促進Z箍縮直接驅動-整體點火等重大科技創新概念的完善，推動高增益聚變燃燒物理、高功率脈沖功率技術、高峰值功率次臨界堆、復雜體系氚自持循環等一批尖端科技的發展。同時，也有利于我國核能領域核心材料研制能力的提升，推動高溫、高壓、強輻射等極端條件堆材料技術的發展，為我國建立核能材料完整的研發體系提供助力。

僅在此前實驗堆初步概念設計階段，相關研究團隊已在“局部整體點火”聚變靶及與之配套的負載、靶設計、靶室設計、次臨界包層設計、重頻LTD、干法后處理、余氚回收等方面取得了一系列技術突破，先后獲授權發明專利15項。

“總體來看，著手開展Z-FFR實驗堆研制的時機已經基本成熟，基本條件業已具備，我們有希望也有能力聯合國內外研究機構通過一段時期的努力實現關鍵技術的突破，完成本項目Z-FFR實驗堆的研制和建設。”李正宏說。

原標題:從完成概念設計到開展實驗堆研究 “Z箍縮聚變-裂變混合實驗堆”將帶來哪些驚喜？