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(chǎn)業(yè)職工技術創(chuàng)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(chǎn)業(yè)職工技術創(chuàng)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(fā)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(xiàn)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?nèi)紵幕A上發(fā)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(tǒng)內(nèi)的中子能譜分布，創(chuàng)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(chǎn)生聚變中子，驅動包層裂變，實現(xiàn)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(xiàn)同等規(guī)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?nèi)剂?，通過加熱除氣實現(xiàn)燃料再生，鈾的循環(huán)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(xiàn)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(huán)境友好、防止核擴散等特點。

“實驗堆”將為商業(yè)示范“打前站”

盡管未來光明，但要將Z-FFR設計概念發(fā)展成可規(guī)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)、在線氚燃料循環(huán)實驗系統(tǒng)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(huán)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(xù)發(fā)展Z-FFR商業(yè)示范堆創(chuàng)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)已完成工程設計，有望實現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(fā)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(chuàng)新概念的完善，推動高增益聚變?nèi)紵锢?、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(huán)等一批尖端科技的發(fā)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(fā)展，為我國建立核能材料完整的研發(fā)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(fā)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(jīng)基本成熟，基本條件業(yè)已具備，我們有希望也有能力聯(lián)合國內(nèi)外研究機構通過一段時期的努力實現(xiàn)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？