[科学技术]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”

化石能源有限，一百年后就会枯竭。人类迫切需要新的替代能源。Z-ffr可以为解决能源、环境和气候问题提供优秀的一揽子解决方案，有望成为未来能源的主力军。

核能是通过核反应从原子核中释放出来的能量，其释放方式包括核裂变、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。

融合:一种互相学习的方案

“无论用什么样的技术实现核聚变，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。核裂变能中的热反应堆因资源利用率低而无法成为未来能源，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制约。”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》杂志。

彭先觉经过多年研究，提出聚变和裂变要巧妙结合，亚临界能量反应堆对聚变能的放大作用(约20倍)可以大大降低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，聚变与裂变相结合是未来核能发展的一个非常有前途的方向。

两项独创的关键技术

早在2008年10月，彭先觉就正式提出了这一核能新概念，即“z箍缩驱动聚变裂变混合堆(z-ffr)”。目前，“z-ffr”在中国工程物理研究院及其附属研究所、国防科学技术局、中国iter中心和国家自然科学基金的参与和支持下，进行了近十年的深入概念研究，形成了基本的设计方案。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z箍缩是指当电流流过圆柱形套管导体时，会产生一个角向磁场。当磁场作用在导体载流子上时，会产生洛伦兹力，即压力，从而产生自箍缩效应。

“当电流达到几十兆安培时，产生的磁压巨大，达到几百万个大气压，驱动套筒等离子体高速向心内爆，速度可达每秒几百公里，可为靶丸聚变创造有利条件。使用z- pinch驱动实现融合的优势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。

在z-ffr方案中，有两项关键技术是独创的，即惯性约束聚变靶和亚临界能量反应堆。

在惯性约束聚变(ICF)靶的设计中，彭先觉认为需要把握三个关键因素:提供给靶的能量、解决聚变燃料压缩的球形对称性和燃料的点火燃烧。因此，他创造性地提出了与美国llnl的“中心点火靶”设计理念完全不同的“局部整体点火靶”模型，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”模型是优越的，可以实现gj聚变和能量释放。

在亚临界能源反应堆方面，彭先觉主张采取与“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、简易、安全、经济。在这一概念的指导下，他提出了以天然铀金属合金为初始燃料、以轻水为传热介质、以慢化介质和压水堆技术相结合的设计。为了使这条技术路线可行，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。

在驱动方面，彭先觉认为，目前至少可以建成60 mA电流用于聚变研究的驱动。但是，能量应用的难点在于司机的寿命长。如果寿命超过一年，要求电容器和开关的重复操作次数达到300万次以上，目前还不能确定。

但从基本参数来看，困难并非不可克服。对于60 ~ 70 mA驱动方案，团队提出了几项主要技术措施，如采用ltd拓扑降低基本放电单元的能量和功率；增加电流脉冲的前沿时间和负载半径；提出了一种新型的磁绝缘传输线(mitl)等。他认为“在解决部件和材料问题后，有望实现预期目标。”

未来规模能源的主力

“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，没有关键性的安全问题，完全避免了废热安全问题；经济得到改善，100万千瓦反应堆建设费用预计30亿美元；耐久性增强，铀、钍资源利用率可达90%以上，可为人类提供数千年的能源；它体现了环境友好性，核废料少，易于处置，是一种极具竞争力的未来能源。”彭先觉说。

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，希望建成50 mA左右的驱动验证聚变；2025年到2035年，是技术集成和功能示范阶段；争取在2035年左右演示工业应用。

彭先觉说，目前，全世界都面临着能源危机，主要原因是人们对化石能源的过度依赖。但是化石能源有限，一百年后就会枯竭。人类迫切需要新的替代能源。Z-ffr可以为解决能源、环境和气候问题提供优秀的一揽子解决方案，有望成为未来能源的主力军。