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彭先覺:混合核反應堆是規模能源“明日之星”

2018年05月08日 09:57來源:未知手機版

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化石能源是有限的,百年之后將面臨枯竭,人類迫切地需要新的替代能源。Z-FFR能為解決能源、環境、氣候問題提供優良的一攬子解決方案,并有望成為未來規模能源的主力。

>核能,是通過核反應從原子核釋放的能量,其釋放的方式包括核裂變、核聚變和核衰變3種。其中,核聚變因為安全性高、放射性少,一度成為科學家心中追求未來能源的理想目標。

混合:取長補短的方案

“不管用何種技術途徑實現核聚變,純聚變能源系統都因其技術難度、經濟性和可持續性方面的問題,與太陽能等可再生能源相比不具有競爭力。而核裂變能中的熱堆由于資源利用率過低不可能成為未來能源,快堆則由于其經濟性、后處理、倍增時間及安全性等方面的原因,發展也受到了制約。”中國工程院院士、中國工程物理研究院研究員彭先覺告訴《中國科學報》記者。

經過多年研究,彭先覺提出把聚變和裂變進行巧妙結合,利用次臨界能源堆對聚變能的放大作用(20倍左右),可大幅度降低對聚變中子源強度的要求,為聚變技術應用于能源的可行性創造條件;而大量聚變中子的加入,又為改進或去除裂變堆的缺點提供了可能。因此,彭先覺認為,聚變和裂變的結合,是未來核能源發展一個非常有前景的方向。

兩項獨創關鍵技術

早在2008年10月,彭先覺正式提出這種全新核能源的概念,即“Z-箍縮驅動聚變裂變混合堆(Z-FFR)”。目前“Z-FFR”在中國工程物理研究院及下屬多個研究所、國防科工局、中國ITER中心、國家自然科學基金委的參與支持下已進行了近十年的深入概念研究,形成了基本的設計方案,從物理原理、材料、工藝技術等各方面都未發現有不可逾越的障礙。

在這個設計方案里,Z-FFR主要包含3個部分:Z-箍縮驅動器、聚變靶及爆室、次臨界能源堆。所謂Z-箍縮,就是當電流流過柱形套筒導體時會產生角向磁場,該磁場作用于導體載流子,將產生指向柱中心軸的洛倫茲力,即壓力,并導致自箍縮效應。

“當電流達到數十兆安量級時,產生的磁壓力十分巨大,達百萬大氣壓以上,驅動套筒等離子體高速向心內爆,速度可達每秒數百公里,能為靶丸實現聚變創造良好的條件。利用Z-箍縮驅動實現聚變的優勢就在于驅動器技術相對簡單、造價低廉、能量充足且轉換效率高。”彭先覺說。

在Z-FFR方案中,有兩項重要關鍵技術是獨創,這就是慣性約束聚變靶和次臨界能源堆。

在慣性約束聚變靶的設計中,彭先覺認為,需要重點把握的3個關鍵因素是:提供給靶的能量、解決聚變燃料壓縮的球對稱性及燃料的點火燃燒問題。因此,他創造性地提出了一種與美國LLNL“中心點火靶”設計理念完全不同的“局部整體點火靶”模型,并設計了套筒與靶能量傳遞結構,經過各項數值計算表明,“局部整體點火靶”模型更勝一籌,能夠實現GJ級聚變放能。

在次臨界能源堆方面,彭先覺主張走與“傳統”次臨界堆完全不同的設計路線,以能源為目標,克服現有裂變堆面臨的瓶頸問題,力求簡明、簡便、安全、經濟。在該理念的指導下,他提出了以天然鈾金屬合金為初始燃料,輕水為傳熱、慢化介質并與壓水堆技術結合的設計。為使該技術路線可行,他與團隊還提出了具體的設計方案,徹底地解決了反應堆的臨界安全和余熱安全問題。

驅動器方面,彭先覺認為,目前來看至少用于聚變研究的60兆安電流的驅動器是可建成的。而能源應用的難點在于驅動器的長壽命,如果壽命大于1年,則要求電容器、開關的重復運行次數達300萬次以上,這在目前尚沒有確切的把握。

但從基本參數看,困難也不是不可克服的。針對60~70兆安級驅動器方案,團隊提出了幾項主要技術措施,如采用LTD拓撲結構,降低基本放電單元的能量和功率;增大電流脈沖上升前沿時間和負載半徑;提出新型的磁絕緣傳輸線(MITL),等等。他認為,“經過對元器件、材料的攻關,是有望達到預期目標的。”

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