从完成概念设计到开展实验堆研究将带来哪些惊喜？

2017-12-22 14:35:09 来源:科技日报作者:盛利　点击量：评论 (0)

今年12月初举行的国防邮电产业职工技术创新成果展上，中国工程物理研究院核物理与化学研究所参展的Z箍缩聚变-裂变混合堆（简称：Z-FFR）模型，再次点燃了人们关于千年能源的无限遐想。从2008年中物院率先提出Z箍

今年12月初举行的“国防邮电产业职工技术创新成果展”上，中国工程物理研究院核物理与化学研究所参展的Z箍缩聚变-裂变混合堆（简称：Z-FFR）模型，再次点燃了人们关于“千年能源”的无限遐想。

从2008年中物院率先提出“Z箍缩大能量驱动-局部体点火聚变概念”和“先进次临界能源堆”概念；到2011年Z-FFR概念设计研究获得国防科工局核能开发项目支持；再到今年2月该项目通过验收，形成Z-FFR基本技术路线和实验堆初步概念设计。目前，该研究正进入开展“Z箍缩驱动聚变-裂变混合实验堆”关键技术研究的崭新阶段。

未来该研究将带来哪些成果和突破？记者目前独家采访了中物院核物理与化学研究所混合堆研究团队。

一条有竞争力的能源技术路径

受控热核聚变能的实现方式主要有两种，惯性约束核聚变和磁约束核聚变。近年来，我国氘氚聚变点火研究进展显著，但在聚变燃烧的基础上发展纯聚变能源，仍面临能量增益、材料耐辐照、氚自持等一系列重大科学问题，寻找突破聚变能源技术瓶颈的有效途径已是国际共识。

这其中聚变裂变混合反应堆被认为是一种新路径。

这是由彭先觉院士基于武器设计灵感，集近期可获得的聚变技术和较成熟的裂变技术，通过精密设计系统内的中子能谱分布，创新性提出的核聚变能源利用新构型。

团队首席专家李正宏研究员说，按照今年2月通过验收的设计方案，Z-FFR主体由Z箍缩聚变堆芯和能源包层构成，堆芯产生聚变中子，驱动包层裂变，实现中子增殖和能量的放大输出，并维持堆的氚自持。

李正宏说，要实现同等规模的能量输出，Z-FFR相比纯聚变堆可将材料中子辐照损伤和氚消耗降低约一个量级，能量增益提高一个量级，大幅降低建堆的难度。“Z-FFR直接利用贫铀作为裂变燃料，通过加热除气实现燃料再生，铀的循环利用可将资源利用率提高到90%以上。”

同时，Z-FFR对聚变/裂变资源的合理搭配使用，可以实现聚变、裂变、造钚和造氚等核反应之间的有利影响与相互支持，具有安全可靠、资源持久、环境友好、防止核扩散等特点。

“实验堆”将为商业示范“打前站”

尽管未来光明，但要将Z-FFR设计概念发展成可规模部署的能源堆技术仍需“一大步”，这就是“实验堆”。

“建立必要的综合性研究平台，以验证能源背景下Z箍缩聚变、深次临界能源包层、燃料循环等关键技术，对Z-FFR相关的物理、技术、材料和工程问题进行系统研究与试验，以充分降低其工程技术风险。”李正宏说，团队的Z-FFR实验堆建设计划，正是围绕上述目标提出。

他介绍，拟建设的Z-FFR实验堆，将研制由10MW级Z箍缩聚变堆芯、可变构型能源包层实验系统、在线氚燃料循环实验系统等构成的综合性研究平台，逐步突破能源背景下Z箍缩聚变、深次临界能源包层和燃料循环等方面的关键技术，开展Z-FFR物理、技术、工程问题研究和技术集成，为后续发展Z-FFR商业示范堆创造必要条件等。

谈到项目可行性，团队首席专家助理黄洪文研究员认为，自20世纪末基于Z箍缩的惯性约束核聚变已取得里程碑式进展，为“实验堆”研发奠定良好基础。“2010年美国提出Z箍缩聚变物理设计（MagLIF），预期可在30MA电流条件下实现聚变点火与燃烧；2012年，俄罗斯启动50MA的贝加尔（Baikal）装置的建设，现已完成工程设计，有望实现Z箍缩惯性约束聚变点火的历史性突破。”

在我国，早在2008年中物院就提出了“Z箍缩大能量驱动-局部体点火聚变概念”和“先进次临界能源堆”概念，研究证实可以在约等于40MA电流条件下实现聚变点火燃烧和贫铀的直接利用；同年10月，相关团队进一步提出将Z箍缩聚变技术与先进次临界能源堆技术结合，形成以满足能源应用为基本诉求的Z-FFR概念。特别是自2011年Z-FFR概念设计研究立项后，研究团队已形成基本技术路线、实验堆初步概念设计等，为开展下一阶段Z-FFR实验堆的研制工作提供了前提条件。

“此外，中物院长期从事爆炸式聚变、裂变反应装置的研制、运行和相关物理、技术、工程、材料等问题的研究，建有大型科学计算平台、多用途研究堆、聚龙一号装置、临界/次临界装置及在线产氚实验平台等一系列重大基础研究设施，具备开展Z-FFR实验堆研制工作的技术能力和基础条件。”黄洪文说。

或引发核能源研究“蝴蝶效应”

“作为一项未来的尖端大科学设施，‘实验堆’的建设不仅有利于聚变裂变混合堆研究本身，更可为我国强辐射物理、高能密度物理、天体物理等基础科研提供不可多得的实验研究条件。”中物院核物理与化学研究所所长彭述明研究员说。

他认为，“实验堆”将有利于我国惯性约束聚变能源科学、技术与工程体系的构建，促进Z箍缩直接驱动-整体点火等重大科技创新概念的完善，推动高增益聚变燃烧物理、高功率脉冲功率技术、高峰值功率次临界堆、复杂体系氚自持循环等一批尖端科技的发展。同时，也有利于我国核能领域核心材料研制能力的提升，推动高温、高压、强辐射等极端条件堆材料技术的发展，为我国建立核能材料完整的研发体系提供助力。

仅在此前实验堆初步概念设计阶段，相关研究团队已在“局部整体点火”聚变靶及与之配套的负载、靶设计、靶室设计、次临界包层设计、重频LTD、干法后处理、余氚回收等方面取得了一系列技术突破，先后获授权发明专利15项。

“总体来看，着手开展Z-FFR实验堆研制的时机已经基本成熟，基本条件业已具备，我们有希望也有能力联合国内外研究机构通过一段时期的努力实现关键技术的突破，完成本项目Z-FFR实验堆的研制和建设。”李正宏说。

原标题:从完成概念设计到开展实验堆研究 “Z箍缩聚变-裂变混合实验堆”将带来哪些惊喜？