混合核反應(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(jié)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(xué)家心中追求未來能源的理想目標(biāo)。

“不管用何種技術(shù)途徑實現(xiàn)核聚變，純聚變能源系統(tǒng)都因其技術(shù)難度、經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)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。”中國工程院院士、中國工程物理研究院研究員彭先覺告訴科普時報記者。

經(jīng)過多年研究，彭先覺提出把聚變和裂變進(jìn)行巧妙結(jié)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(shù)應(yīng)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(jìn)或去除裂變堆的缺點提供了可能。因此，聚變和裂變的結(jié)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(qū)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(xué)基金委的參與支持下已進(jìn)行了近十年的深入概念研究，形成了基本的設(shè)計方案，從物理原理、材料、工藝技術(shù)等各方面都未發(fā)現(xiàn)有不可逾越的障礙。

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

“當(dāng)電流達(dá)到數(shù)十兆安量級時，產(chǎn)生的磁壓力十分巨大（百萬大氣壓以上），驅(qū)動套筒等離子體高速向心內(nèi)爆，速度可達(dá)每秒數(shù)百公里，能為靶丸實現(xiàn)聚變創(chuàng)造良好的條件。利用Z-箍縮驅(qū)動實現(xiàn)聚變的優(yōu)勢就在于驅(qū)動器技術(shù)相對簡單，造價低廉，能量充足且轉(zhuǎn)換效率高。”彭先覺說。

在Z-FFR方案中，有兩項重要關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計中，彭先覺認(rèn)為，需要重點把握的3個關(guān)鍵因素是：提供給靶的能量、解決聚變?nèi)剂蠅嚎s的球?qū)ΨQ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(shè)計理念完全不同的“局部整體點火靶”模型，并設(shè)計了套筒與靶能量傳遞結(jié)構(gòu)，經(jīng)過各項數(shù)值計算表明，“局部整體點火靶”模型都更勝一籌，能夠?qū)崿F(xiàn)GJ級聚變放能。

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

為使該技術(shù)路線可行，他與團(tuán)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(shè)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(nèi)都可以保持良好核性能，因而可在數(shù)百年內(nèi)使用“干法”進(jìn)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(shè)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(shè)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(dǎo)出系統(tǒng)，徹底地解決了反應(yīng)堆的臨界安全和余熱安全問題。

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

但從基本參數(shù)看，困難也不是不可克服的。針對60～70兆安級驅(qū)動器方案，團(tuán)隊提出了幾項主要技術(shù)措施，如采用LTD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(fù)載半徑；提出了新型的磁絕緣傳輸線（MITL）等等。經(jīng)過對元器件、材料的攻關(guān)，是有望達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的。

“Z-FFR充分體現(xiàn)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(jīng)濟(jì)性（100萬千瓦堆建造成本預(yù)計在30億美元）、持久性（鈾、釷資源利用率可達(dá)90%以上，可為人類供能數(shù)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(tuán)隊提出了如下的研究發(fā)展路線圖：2025年前是關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段并希望建成50兆安左右的驅(qū)動器以驗證聚變；2025年到2035年為技術(shù)集成和功能演示階段；力爭2035年左右進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用演示。

彭先覺說，當(dāng)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。