0 \2 _. a4 b; O% j# I* U# c& \
聚变能源研究态势及展望(节选) 原创 中国工程科学 时间:2024年11月07日 12:22
; o' F ^0 b2 c9 t" A- ~
本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2024年第4期 作者:彭先觉,高翔,李建刚,刘永,邓建军,李正宏,周良骥,师学明 来源:聚变能源研究态势及展望[J].中国工程科学,2024,26(4):190-197 7 v) K t/ P# i# @
Z箍缩聚变裂变混合堆研究进展及规划
" `# w4 J& c, d2 K- e" }! c( `9 e0 C6 V0 p1 W9 V8 m7 @. l8 o
2008年,中国工程物理研究院提出了Z-FFR概念。Z-FFR的聚变功率大幅降低且中子更加富裕,有望综合解决聚变氚自持、高聚变增益、耐辐照损伤、裂变燃料增殖、超铀元素嬗变等关键科学问题和工程挑战。5 ]* U6 W# v9 d1 I: ?/ f7 S
5 E; g' n# y. _2 N4 R7 b( p- G7 z
# q; U$ i6 h0 \4 {* m. |Z箍缩聚变裂变混合堆研究进展$ M0 a3 ~. W) N% u2 G
& Q0 U" x s2 Y* r7 z 20世纪末,美国圣地亚国家实验室在其Z装置上获得了总能量为1.8 MJ的X光辐射脉冲,电能到X光的转换效率达到15%。2012年,俄罗斯也启动了聚变点火计划,后因经济原因停滞。中国工程物理研究院长期从事热XXX研究,掌握了惯性约束聚变原理。在SNL公布Z装置的结果后,中国工程物理研究院的一些科学家直观感觉,Z箍缩与其他驱动方式相比能更方便、经济地提供聚变所需条件,因而提出了开展Z箍缩聚变研究的建议。随后,我国组建了一支构成精干,涵盖理论、实验、测试、制靶、驱动器的研究团队,系统开展Z箍缩聚变研究工作。
1 i# T6 b y8 E' ? 2007年,研究团队正式提出“局部体点火靶”概念,解决了惯性约束聚变点火难、大规模放能难的问题。2008年,研究团队提出了深度次临界能源包层设计理念,正式形成Z-FFR概念。2013年,研究团队研制了输出电流约为10 MA的强流脉冲功率装置(聚龙1号),接近美国的Z装置性能。2020年,研究团队研制了与50 MA驱动器单支路同等规模的LTD单路样机装置;实验定标和理论分析表明,50 MA驱动器可以实现点火和大规模放能。2021年,“电磁驱动大科学装置”项目获得立项,采用LTD技术路线,重点验证“局部体点火靶”技术,同时为Z-FFR重频驱动器研制积累工程经验。2023年,研究团队研制了大功率超快半导体开关,可以满足Z-FFR驱动器重频长寿命的应用需求。
5 |6 t% q3 ]5 w3 `/ m- e5 K8 f/ Y; }" v) a% u
$ I8 L6 Q% @- Q [. a
Z箍缩聚变裂变混合堆发展规划
- C. h, e9 ~" ~9 r+ e: G i' @1 x
1 P2 w1 e. r( N$ M! {7 h7 {& s 瞄准2040年实现Z-FFR商业化供能目标论证发展规划,提出了3个发展阶段的任务目标。
/ O9 F/ U. i5 w3 V3 q0 Y- ]6 k* ?
8 x4 `; Y" M: e$ ?1. 关键技术攻关阶段(2024—2030年)
9 e% c* ^ g3 D
) [* a" I6 ^& ] W& A 针对Z-FFR的3项关键技术同步开展攻关,为后续工程建设筑牢基础。① 聚变点火。建设输出电流为50 MA的Z-箍缩“电磁驱动大科学装置”,验证“局部体点火靶”聚变能源技术路线的可行性,在国际上率先实现单发聚变百兆焦级放能、QEng>1。② 长寿命重频驱动器。功率源充放电>3×106次,重复运行频率为0.1 Hz;建设4路驱动器原型演示装置,为建设下一代聚变能源用大电流长寿命重频驱动器储备技术。③ 深度次临界能源包层。形成包层能量放大倍数>10、氚增殖比>1.15的设计方案,开展缩比换料机构、裂变燃料“干法”循环等的演示验证。) i l1 i8 f' s& K7 J1 B
7 N0 B' {# t. l" ~8 k2. 工程演示阶段(2031—2040年)7 h) J6 w' z- v4 J4 k
# m# m% L/ O, @. j 2035年建成1000兆瓦级热功率的池式综合试验堆,采取逐级推进的方式,分步实现集成演示混合堆各项关键技术的演示目标。① 建设60 MA级长寿命重频驱动器。通过逐步调试,实现驱动器重复运行频率为0.1 Hz、运行次数>1×106次/a。② 演示重复频率聚变放能。聚变单发放能为1 GJ,QSci约为20~30,中子源强约为1019n/s,验证换靶和余氚回收等技术。③ 在池式综合试验堆上,验证氚自持、包层能量放大功能(能量放大倍数约为10),考核易裂变燃料增殖、超铀元素嬗变功能;开展聚变堆材料辐照试验、医用同位素生产、区域供热等应用探索,推动聚变能源提前应用,初步演示混合堆的经济性。
, k2 z& h5 @. Q8 r/ r1 }; I1 X4 E7 u9 n
3. 商业发电推广阶段(2040年以后)
; ?# \9 `& W' F+ a1 A& \% T) W+ N
' F* N: `$ e" Q* ^ 2035年开始建设1000兆瓦级电功率Z箍缩聚变裂变混合堆,2040年进行发电演示,之后进入商业推广阶段。① 在工程演示阶段的基础上,进一步提高混合堆性能,驱动器运行次数>3×106次/a,聚变单发放能约为2~3 GJ,QSci约为20~30,包层能量放大倍数>15。② 演示聚变堆发电的经济性。③ 建成裂变燃料重整和“简便干法”后处理工厂。④ 逐步推广应用。% R+ F9 ?7 D. b4 d, s" Y5 m
6 d! g/ @2 K5 O4 e. S9 g- u& q5 _( B
结语2 D$ Y; k! E# r! O+ h# G
9 x. c; t/ w, z3 {
聚变能源前景广阔,开发机遇与技术挑战并存,正处于从科学研究到工程实践、再到商业应用的发展转折点。面向能源应用的聚变技术路径尚未通过闭环验证,聚变研究距离开发出具有经济竞争力的聚变能源还有“鸿沟”。当前,我国在磁约束聚变、Z-FFR方向处于国际先进水平,Z-FFR有望在2040年后实现商业演示。根据我国磁约束聚变发展规划,有望在2030年前后突破工程能量“得失相当”、2050年前后率先实现聚变能源商业演示。
. i2 @' s4 C5 P8 V: H M 聚变能源开发可能重塑全球能源发展格局,建议统筹聚变能源开发中的重大问题,合理加大支持力度并集中优势力量,加速我国聚变能源开发进程。在磁约束聚变方面,深入参与ITER计划和相关国际合作,攻关商用聚变堆关键物理与工程技术;着力研发CFETR主机关键部件,适时建设和运营CFETR。在Z-FFR方面,加快“电磁驱动大科学装置”建设,实施聚变能源关键技术攻关,推进Z-FFR的工程演示和商业应用。
$ b' `0 F% Z U3 b5 Q
* t9 r. Q- t# a9 T8 y |