2 q( _' {6 z7 B- a' {. s* I' a: ?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 6 b! t* p4 ]5 `$ C% U, t: i
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
9 T3 J6 C; T/ T( E. UZ箍缩聚变裂变混合堆研究进展及规划9 x5 ^4 b2 }0 d" a2 f
4 F' @4 }0 Z2 X* e% q& }' n
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。2 I9 j8 }& o/ K5 e# `
! u/ @) I6 s, F5 v: a1 l
1 G: c4 r/ v/ _( h' Z( W8 BZ箍缩聚变裂变混合堆研究进展
: Y3 c; s+ Q8 K9 @: U- r( z k. s5 y% y4 C
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。, c/ t$ A. E! v5 z! s. ^/ P6 r
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。& r1 j8 z' ?: A; o+ S6 y: ~0 d
; m4 p( [" W7 M; Q
& n( u+ [: U5 M
Z箍缩聚变裂变混合堆发展规划& }9 }) Y8 A9 Y. i( y
( D2 _, u* c A# ]& F5 C$ _8 M3 w 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。
2 J: B9 |6 Y+ V1 B2 S# W N3 d ?1 z
1. 关键技术攻关阶段（2024—2030年）% L/ Y s3 T# ~5 b4 _
5 X4 b4 t( ?3 n4 c) S7 {- y3 \
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。
* v5 _- I4 g; F; {$ Y+ }. Y7 K0 d! z' D
2. 工程演示阶段（2031—2040年）
6 f2 B, ?) f& ]1 ~
- J% y* f H$ u! @. O7 `# o+ Y2 D 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。3 V3 y, `* B: }
0 r& A1 k; o& m3. 商业发电推广阶段（2040年以后）# u% z- q! S1 u
( t! u) ^& b8 s( _0 U* V4 P
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。; f7 _& r! V: Z
1 Y( ]; B/ I' G$ c
) L7 C% M" S& ^5 x: p- e9 }, h
结语
+ K; l1 l' e3 q+ J X0 K3 p
. i! F, T- A, W0 c. [ 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。
& I3 t C0 U& C/ S 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。
8 G% p" `' [; Q2 J5 r8 u. S0 t& p% B" c! W
| 
楼主