作者: 李晨 来源:中国科学报 发布时间:2018/5/14 10:35:38
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彭先觉院士:混合核反应堆是规模能源明日之星

 

■本报记者 李晨

化石能源是有限的,百年之后将面临枯竭,人类迫切地需要新的替代能源。Z-FFR能为解决能源、环境、气候问题提供优良的一揽子解决方案,并有望成为未来规模能源的主力。

核能,是通过核反应从原子核释放的能量,其释放的方式包括核裂变、核聚变和核衰变3种。其中,核聚变因为安全性高、放射性少,一度成为科学家心中追求未来能源的理想目标。

混合:取长补短的方案

“不管用何种技术途径实现核聚变,纯聚变能源系统都因其技术难度、经济性和可持续性方面的问题,与太阳能等可再生能源相比不具有竞争力。而核裂变能中的热堆由于资源利用率过低不可能成为未来能源,快堆则由于其经济性、后处理、倍增时间及安全性等方面的原因,发展也受到了制约。”中国工程院院士、中国工程物理研究院研究员彭先觉告诉《中国科学报》记者。

经过多年研究,彭先觉提出把聚变和裂变进行巧妙结合,利用次临界能源堆对聚变能的放大作用(20倍左右),可大幅度降低对聚变中子源强度的要求,为聚变技术应用于能源的可行性创造条件;而大量聚变中子的加入,又为改进或去除裂变堆的缺点提供了可能。因此,彭先觉认为,聚变和裂变的结合,是未来核能源发展一个非常有前景的方向。

两项独创关键技术

早在2008年10月,彭先觉正式提出这种全新核能源的概念,即“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)”。目前“Z-FFR”在中国工程物理研究院及下属多个研究所、国防科工局、中国ITER中心、国家自然科学基金委的参与支持下已进行了近十年的深入概念研究,形成了基本的设计方案,从物理原理、材料、工艺技术等各方面都未发现有不可逾越的障碍。

在这个设计方案里,Z-FFR主要包含3个部分:Z-箍缩驱动器、聚变靶及爆室、次临界能源堆。所谓Z-箍缩,就是当电流流过柱形套筒导体时会产生角向磁场,该磁场作用于导体载流子,将产生指向柱中心轴的洛伦兹力,即压力,并导致自箍缩效应。

“当电流达到数十兆安量级时,产生的磁压力十分巨大,达百万大气压以上,驱动套筒等离子体高速向心内爆,速度可达每秒数百公里,能为靶丸实现聚变创造良好的条件。利用Z-箍缩驱动实现聚变的优势就在于驱动器技术相对简单、造价低廉、能量充足且转换效率高。”彭先觉说。

在Z-FFR方案中,有两项重要关键技术是独创,这就是惯性约束聚变靶和次临界能源堆。

在惯性约束聚变靶的设计中,彭先觉认为,需要重点把握的3个关键因素是:提供给靶的能量、解决聚变燃料压缩的球对称性及燃料的点火燃烧问题。因此,他创造性地提出了一种与美国LLNL“中心点火靶”设计理念完全不同的“局部整体点火靶”模型,并设计了套筒与靶能量传递结构,经过各项数值计算表明,“局部整体点火靶”模型更胜一筹,能够实现GJ级聚变放能。

在次临界能源堆方面,彭先觉主张走与“传统”次临界堆完全不同的设计路线,以能源为目标,克服现有裂变堆面临的瓶颈问题,力求简明、简便、安全、经济。在该理念的指导下,他提出了以天然铀金属合金为初始燃料,轻水为传热、慢化介质并与压水堆技术结合的设计。为使该技术路线可行,他与团队还提出了具体的设计方案,彻底地解决了反应堆的临界安全和余热安全问题。

驱动器方面,彭先觉认为,目前来看至少用于聚变研究的60兆安电流的驱动器是可建成的。而能源应用的难点在于驱动器的长寿命,如果寿命大于1年,则要求电容器、开关的重复运行次数达300万次以上,这在目前尚没有确切的把握。

但从基本参数看,困难也不是不可克服的。针对60~70兆安级驱动器方案,团队提出了几项主要技术措施,如采用LTD拓扑结构,降低基本放电单元的能量和功率;增大电流脉冲上升前沿时间和负载半径;提出新型的磁绝缘传输线(MITL),等等。他认为,“经过对元器件、材料的攻关,是有望达到预期目标的。”

未来规模能源的主力

“Z-FFR充分体现了聚变和裂变优势互补的特点,大大提高了核能的安全性,没有临界安全问题,也完全避免了余热安全问题;提升了经济性,100万千瓦堆建造成本预计在30亿美元;增加了持久性,铀、钍资源利用率可达90%以上,可为人类供能数千年;体现了环境友好性,核废料很少,易处置,因而它是具有极强竞争力的未来能源。”彭先觉说。

基于项目的特点和重要意义,彭院士团队提出了如下的研究发展路线图:2025年前是关键技术攻关阶段,希望建成50兆安左右的驱动器以验证聚变;2025年到2035年为技术集成和功能演示阶段;力争2035年左右进行工业应用演示。

彭先觉说,当前,全世界都面临着能源危机,最主要的原因就是人们过度依赖化石能源。而化石能源是有限的,百年之后将面临枯竭,人类迫切地需要新的替代能源。Z-FFR能为解决能源、环境、气候问题提供优良的一揽子解决方案,并有望成为未来规模能源的主力。

《中国科学报》 (2018-05-03 第5版 技术经济周刊)
 
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