中国工程院院士彭先觉：混合核反应堆是规模能源“明日之星”

■我们的记者陈丽

化石能源是有限的，将在100年内耗尽。人类迫切需要新的替代能源。Z-FFR可以为能源、环境和气候问题提供一套优秀的解决方案，并有望成为未来的主要能源。

核能是通过核反应从原子核释放的能量。它的释放方法包括核裂变、核聚变和核衰变。其中，核聚变因其高安全性和低放射性一度成为科学家追求未来能源的理想目标。

混合:一个互相学习对方长处的计划

“无论采用何种技术方法来实现核聚变，纯聚变能源系统由于其技术难度、经济性和可持续性，都无法与太阳能等可再生能源竞争。然而，由于资源利用率低，核裂变能中的热反应堆不能成为未来能源，而快堆的发展也因其经济性、后处理、倍增时间和安全性而受到限制。”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》。

经过多年的研究，彭先觉提出聚变和裂变应该巧妙结合，亚临界能量堆(约20倍)对聚变能的放大可以大大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。大量聚变中子的加入使得改进或消除裂变反应堆的缺点成为可能。因此，彭先觉认为聚变和裂变相结合是核能未来发展的一个非常有前途的方向。

两项原创关键技术

早在2008年10月，彭先觉就正式提出了这一全新的核能概念，即“Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆”。目前，“Z-FFR”在中国工程物理研究所及其下属研究所、国家科技局、中国ITER中心和国家自然科学基金的参与和支持下，已经进行了近十年的深入概念研究，并形成了基本设计方案。在物理原理、材料、技术等方面没有发现不可逾越的障碍。

在该设计方案中，Z-FFR主要包括三个部分:Z箍缩驱动器、聚变靶和爆炸室、亚临界能量堆。所谓的Z箍缩意味着当电流流过圆柱形套管导体时，将产生角磁场。磁场作用在导体的载体上，产生指向柱中心轴的洛伦兹力，即压力，并导致自收缩效应。

“当电流达到数十兆安培的数量级时，产生的磁压力非常大，达到超过一百万个大气压，驱动套筒等离子体以每秒数百公里的速度向中心内爆，这可以为靶丸的融合创造有利条件。采用Z箍缩驱动实现聚变的优点在于驱动技术相对简单、成本低、能量充足、转换效率高彭先觉说道。

在Z-FFR方案中，两个重要的关键技术是原创，即惯性约束聚变靶和亚临界能量堆。

在惯性约束聚变靶的设计中，彭先觉认为需要把握的三个关键因素是:供给靶的能量、聚变燃料压缩的球对称以及燃料的点火和燃烧。因此，他创造性地提出了与美国LLNL“中心点火靶”设计理念完全不同的“局部整体点火靶”模型，并设计了套筒与靶之间的能量传递结构。通过各种数值计算，表明“局部积分点火靶”模型优越，能够实现GJ聚变能量释放。

在亚临界能源反应堆方面，彭先觉倡导一条与“传统”亚临界反应堆完全不同的设计路线，以能源为目标，克服现有裂变反应堆面临的瓶颈问题，力求简单、简单、安全、经济。在这一概念的指导下，他提出了一种设计，使用天然铀金属合金作为初始燃料，轻水作为传热和减速介质，并与压水堆技术相结合。为了使技术路线可行，他和他的团队还提出了具体的设计方案，彻底解决了反应堆的关键安全和余热安全问题。

在驱动器方面，彭先觉认为，目前至少可以建成60兆安培的聚变研究用电流驱动器。然而，能量应用的困难在于驾驶员的长使用寿命。如果使用寿命超过一年，电容器和开关的重复运行次数需要达到300万次以上，目前还不确定。

然而，从基本参数来看，困难并非不可克服。对于60 ~ 70mA驱动方案，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；增加电流脉冲的上升前沿时间和负载半径；提出了一种新型磁绝缘传输线(MITL)。他认为“在解决了部件和材料的关键问题后，有望达到预期目标”

未来规模能源的主力军

“Z-FFR充分体现了聚变和裂变的互补优势，大大提高了核能的安全性，没有严重的安全问题，并完全避免了废热安全问题；经济得到了改善。100万千瓦反应堆的建设成本预计为30亿美元。耐久性增加，铀钍资源利用率可达90%以上，可为人类提供几千年的能源；它对环境友好，核废料少，易于处理，因此是一种极具竞争力的未来能源。”彭先觉说道。

基于该项目的特点和意义，彭院士团队提出了以下研发路线图:2025年是关键技术研究阶段，希望建造约50兆安培的驱动器来验证聚变；2025-2035年是技术集成和功能展示阶段；力争在2035年左右展示工业应用。

彭先觉表示，目前，全球正面临能源危机。主要原因是人们过于依赖化石能源。然而，化石能源是有限的，并将在100年内耗尽。人类迫切需要新的替代能源。Z-FFR可以为能源、环境和气候问题提供一套优秀的解决方案，并有望成为未来的主要能源。

《中国科学新闻》(2018-05-03第5版《技术与经济周刊》)