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“千年能源”离商业化有多远

来源:科技日报 作者:何佳恒、盛利 2017-12-29 10:44:12
  12月初举行的“国防邮电产业职工技术创新成果展”上,中国工程物理研究院(以下简称“中物院”)核物理与化学研究所参展的Z箍缩聚变-裂变混合堆(简称Z-FFR)模型,再次点燃了人们关于“千年能源”的无限遐想。

  从2008年中物院率先提出“Z箍缩大能量驱动-局部体点火聚变概念”和“先进次临界能源堆”概念;到2011年Z-FFR概念设计研究获得国防科工局核能开发项目支持;再到今年2月该项目通过验收,形成Z-FFR基本技术路线和实验堆初步概念设计。目前,该研究正进入开展“Z箍缩驱动聚变-裂变混合实验堆”关键技术研究的崭新阶段。

  未来该研究将带来哪些成果和突破?记者日前独家采访了中物院核物理与化学研究所混合堆研究团队。

  一条有竞争力的能源技术路径

  聚变裂变混合反应堆是由彭先觉院士基于武器设计灵感,集近期可获得的聚变技术和较成熟的裂变技术,通过精密设计系统内的中子能谱分布,提出的具有创新性的核聚变能源利用新构型。

  团队首席专家李正宏研究员说,按照今年2月通过验收的设计方案,Z-FFR主体由Z箍缩聚变堆芯和能源包层构成,堆芯产生聚变中子,驱动包层裂变,实现中子增殖和能量的放大输出,并维持堆的氚自持。

  李正宏说,要实现同等规模的能量输出,Z-FFR相比纯聚变堆可将材料中子辐照损伤和氚消耗降低约一个量级,能量增益提高一个量级,大幅降低建堆的难度。

  实验堆将为商业示范“打前站”

  要将Z-FFR设计概念发展成可规模部署的能源堆技术,首先要建实验堆。

  “建立必要的综合性研究平台,以验证能源背景下Z箍缩聚变、深次临界能源包层、燃料循环等关键技术,对Z-FFR相关的物理、技术、材料和工程问题进行系统研究与试验,以充分降低其工程技术风险。”李正宏说,团队的Z-FFR实验堆建设计划,正是围绕上述目标提出。

  他介绍,拟建设的Z-FFR实验堆,将研制由10MW级Z箍缩聚变堆芯、可变构型能源包层实验系统、在线氚燃料循环实验系统等构成的综合性研究平台,逐步突破能源背景下Z箍缩聚变、深次临界能源包层和燃料循环等方面的关键技术,开展Z-FFR物理、技术、工程问题研究和技术集成,为后续发展Z-FFR商业示范堆创造必要条件等。

  谈到项目可行性,团队首席专家助理黄洪文研究员认为,自20世纪末,基于Z箍缩的惯性约束核聚变已取得里程碑式进展,为实验堆研发奠定良好基础。

  2008年,中物院就提出了“Z箍缩大能量驱动-局部体点火聚变概念”和“先进次临界能源堆”概念,研究证实可以在约等于40MA电流条件下实现聚变点火燃烧和贫铀的直接利用;同年10月,相关团队进一步提出将Z箍缩聚变技术与先进次临界能源堆技术结合,形成以满足能源应用为基本诉求的Z-FFR概念。特别是自2011年Z-FFR概念设计研究立项后,研究团队已形成基本技术路线、实验堆初步概念设计等,为开展下一阶段Z-FFR实验堆的研制工作提供了前提条件。

  “此外,中物院长期从事爆炸式聚变、裂变反应装置的研制、运行和相关物理、技术、工程、材料等问题的研究,建有大型科学计算平台、多用途研究堆、聚龙一号装置、临界/次临界装置及在线产氚实验平台等一系列重大基础研究设施,具备开展Z-FFR实验堆研制工作的技术能力和基础条件。”黄洪文说。

  或引发核能源研究“蝴蝶效应”

  “作为一项未来的尖端大科学设施,实验堆的建设不仅有利于聚变裂变混合堆研究本身,更可为我国强辐射物理、高能密度物理、天体物理等基础科研提供不可多得的实验研究条件。”中物院核物理与化学研究所所长彭述明研究员说。

  他认为,实验堆将有利于我国惯性约束聚变能源科学、技术与工程体系的构建,促进Z箍缩直接驱动-整体点火等重大科技创新概念的完善,推动高增益聚变燃烧物理、高功率脉冲功率技术、高峰值功率次临界堆、复杂体系氚自持循环等一批尖端科技的发展。同时,也有利于我国核能领域核心材料研制能力的提升,推动高温、高压、强辐射等极端条件堆材料技术的发展,为我国建立核能材料完整的研发体系提供助力。据悉,仅在此前实验堆初步概念设计阶段,相关研究团队已先后获授权发明专利15项。

  “总体来看,着手开展Z-FFR实验堆研制的时机已经基本成熟,基本条件业已具备,我们有希望也有能力联合国内外研究机构努力实现关键技术的突破,完成本项目Z-FFR实验堆的研制和建设。”李正宏说。
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