在传统的高碳能源难以为继,亟须新型清洁能源的当下,Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆将会是未来基荷能源的主力。这一研究成果正是源自于我国著名的原子核物理学专家、中国工程院院士彭先觉。
寻找安全、清洁、持久、经济的新能源是科学家面临的最重要任务。彭先觉勤于探索、勇于创新,在2008年10月,正式提出全新核能源的概念,即“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)”。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。
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和大规模燃烧放能问题。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“局部体点火靶”模型,并创新设计了套筒与靶能量传递结构,经过可靠的数值计算表明,“局部体点火靶”模型皮实可靠性能优异,能够在Z-箍缩驱动器60兆安电流条件下,实现GJ以上聚变放能。在次临界能源堆方面,彭先觉主张走与“传统”混合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(或经“干法”处理的反应堆乏燃料)为初始燃料,轻水为传热、慢化介质并与压水堆技术结合等多项设计。研究表明,该次临界能源堆可以把能量放大15倍以上,一个聚变单元就可实现百万千瓦电功率发电。该堆可用“干法”进行核燃料循环,不必进行铀同位素分离和铀钚分离,也不必另行嬗变次锕系元素,并彻底地解决了反应堆的临界安全和余热安全问题。在驱动器方面,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重复频率运行和长寿命。从物理和工艺出发,也已提出了非常有希望解决这一难题的极富创新的设想方案。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、经济性、持久性及环境友好性。该堆可抵近城市建造,并容易实现热电联供,提高能量的利用效率;100万千瓦堆建造成本预计在30亿美元左右,与三代核电站相当;铀、钍资源利用率达90%以上,可单独为人类供能数千年;核废料很少,且易处置。另外,非常重要的是:它可用热堆乏燃料、贫油作燃料,为热中子电站的发展解决了后顾之忧;它的输出功率可大幅调节的性能也为光电、风电的发展和延长人类能源供能时间创造了条件。因而它是极具竞争力的未来能源。”
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十多年深入的总体概念(理论)和部分分解实验研究,对每一个技术环节,从物理、技术、工程、材料各方面看都未发现有不可逾越的障碍,已具备进行技术验证及工程演示的基本条件。该概念已越来越为国内科技界、能源界所接受和认可。2021年,项目的第一步“建50MAZ箍缩驱动器验证聚变靶科学及工程可行性”获国家发改委批准列入“十四五”计划。彭先觉希望2028年前能够建成50兆安电流的驱动器,验证聚变,并实现聚变能源系统能量增益大于1的里程碑式突破;力争2035年左右进行Z-FFR工业应用示范,为满足现代社会发展对能源的巨大需求作出贡献。(白小果)