混合核反應堆，規(guī)模能源的“明日之星”
——訪中國工程物理研究院彭先覺院士

□文｜王霞

核能，是通過核反應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。核裂變能是通過中子與鈾、钚等重原子核發(fā)生反應，使之分裂成兩個或兩個以上碎片而釋放出的能量。核聚變能則是由兩個輕原子核結合在一起形成更重的原子核時釋放出的能量。其中，核聚變因為安全性高、放射性少，一度成為科學家心中追求未來能源的理想目標。

“不管用何種技術途徑實現核聚變，純聚變能源系統(tǒng)都因其技術難度、經濟性和可持續(xù)性方面的問題，與太陽能等可再生能源相比將不具有競爭力。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，快堆則由于其經濟性、后處理、倍增時間及安全性等方面的原因，發(fā)展也受到了制約?！敝袊こ淘涸菏?、中國工程物理研究院研究員彭先覺告訴科普時報記者。

經過多年研究，彭先覺提出把聚變和裂變進行巧妙結合，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度的要求，為聚變技術應用于能源的可行性創(chuàng)造了條件；而大量聚變中子的加入，又為改進或去除裂變堆的缺點提供了可能。因此，聚變和裂變的結合，是未來核能源發(fā)展的一個非常有前景的方向。

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

在這個設計方案里，Z-FFR主要包含3個部分：Z-箍縮驅動器、聚變靶及爆室、次臨界能源堆。所謂Z-箍縮，就是當電流流過柱形套筒導體時（Z方向電流）會產生角向磁場（θ方向），該磁場作用于導體載流子將產生指向柱中心軸（徑向）的洛倫茲力（即壓力），并導致自箍縮效應。

“當電流達到數十兆安量級時，產生的磁壓力十分巨大（百萬大氣壓以上），驅動套筒等離子體高速向心內爆，速度可達每秒數百公里，能為靶丸實現聚變創(chuàng)造良好的條件。利用Z-箍縮驅動實現聚變的優(yōu)勢就在于驅動器技術相對簡單，造價低廉，能量充足且轉換效率高?！迸硐扔X說。

在Z-FFR方案中，有兩項重要關鍵技術是獨創(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計中，彭先覺認為，需要重點把握的3個關鍵因素是：提供給靶的能量、解決聚變燃料壓縮的球對稱性及燃料的點火燃燒問題。因此他創(chuàng)造性地提出了一種與美國LLNL“中心點火靶”設計理念完全不同的“局部整體點火靶”模型，并設計了套筒與靶能量傳遞結構，經過各項數值計算表明，“局部整體點火靶”模型都更勝一籌，能夠實現GJ級聚變放能。

在次臨界能源堆方面，彭先覺主張應走與“傳統(tǒng)”次臨界堆完全不同的設計路線，以能源為目標，要克服現有裂變堆面臨的瓶頸問題，力求簡明、簡便、安全、經濟。在該理念的指導下，提出了如下設計，即以天然鈾金屬合金為初始燃料，輕水為傳熱、慢化介質并與壓水堆技術(基本保持堆內水密度不變)結合。

為使該技術路線可行，他與團隊還提出水從鋯合金水管中流過，水管穿過塊狀金屬鈾部件的設計方案；采用合適鈾水比，以獲得較高的易裂變核素增殖比，使核燃料在許多年內都可以保持良好核性能，因而可在數百年內使用“干法”進行核燃料循環(huán)，并大大減少了核廢料生成量（每年200千克左右）；設立專門的屏蔽區(qū)，確保外部環(huán)境為極低放射性水平，有望大大延長場址的使用壽期；創(chuàng)新地設計了高效閉式水汽循環(huán)（水直接送至燃料區(qū)邊）的非能動余熱排出系統(tǒng)和非能動放射性氣體導出系統(tǒng)，徹底地解決了反應堆的臨界安全和余熱安全問題。

驅動器方面，彭院士認為，目前來看至少用于聚變研究的60兆安電流的驅動器是可建成的。而能源應用的難點在于驅動器的長壽命，如果要求壽命大于1年，則要求電容器、開關的重復運行次數達300萬次以上，這目前尚沒有確切的把握。

但從基本參數看，困難也不是不可克服的。針對60～70兆安級驅動器方案，團隊提出了幾項主要技術措施，如采用LTD拓撲結構，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間和負載半徑；提出了新型的磁絕緣傳輸線（MITL）等等。經過對元器件、材料的攻關，是有望達到預期目標的。

“Z-FFR充分體現了聚變和裂變優(yōu)勢互補的特點，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）、經濟性（100萬千瓦堆建造成本預計在30億美元）、持久性（鈾、釷資源利用率可達90%以上，可為人類供能數千年）和環(huán)境友好性（核廢料很少，易處置），因而是具有極強競爭力的未來能源。”彭先覺說。

基于項目的特點和重要意義，彭院士團隊提出了如下的研究發(fā)展路線圖：2025年前是關鍵技術攻關階段并希望建成50兆安左右的驅動器以驗證聚變；2025年到2035年為技術集成和功能演示階段；力爭2035年左右進行工業(yè)應用演示。

彭先覺說，當前，全世界都面臨著能源危機，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。