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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 2 h5 r4 u) P2 g" t7 E; Q7 q9 @
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
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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。
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Z箍缩聚变裂变混合堆研究进展- D( T9 q# X6 C% e# T6 i
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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。; M% n$ p: p. d) b9 b
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。) o9 l' y' @. G8 B, P% u
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Z箍缩聚变裂变混合堆发展规划
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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。
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1. 关键技术攻关阶段（2024—2030年）( e$ S0 x) o- O1 j v- V
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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。
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4 ~# u& ^/ j! e6 |9 S* a' \2. 工程演示阶段（2031—2040年）/ p6 i0 }% J5 B* a" z5 \$ W* n
8 k7 M. v/ o+ I V( K' r- N2 n 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。
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3. 商业发电推广阶段（2040年以后）/ |, \ d; v) |8 A* |
1 U0 G" A" b2 E$ ~9 B- g9 N) a 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。& b) A/ { U9 l: V# X! |
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结语
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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。
$ f1 _3 B: U$ _1 h 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。
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