中国工程科技论坛讨论Z-FFR工程前沿技术

今年2月份，中国工程物理研究院组建了聚变能源科学技术研究中心，目的是充分利用全院在科学技术和工程方面积累的综合优势，积极参与国家重大能源战略的科学攻关，协同发展。随着国家科技创新战略的发展，以及院里半个多世纪以来积累的经验和技术，在前两年酝酿的基础上，中物院决定把聚变能源科学技术作为主要的战略科技发展方向之一。此次论坛讨论的主题就是“Z-FFR工程前沿技术研究”，会上，来自业内的20多位院士和180多位专家就Z-FFR研究的可行性及前景进行了探讨。

Z箍缩驱动技术成国际研究热点

聚变裂变混合堆，放能任务主要由次临界裂变堆承担，属大规模热核聚变。Z箍缩驱动聚变就是利用脉冲功率技术，创造数十MA大电流从金属套筒（后变为等离子体）流过的条件，产生超强电磁内爆，使等离子体套筒获得足够的内爆动能，然后与聚变靶丸相互作用，把动能变为辐射能，近似球对称低压缩热核燃料，最终实现大规模的热核聚变。

“人工实现大规模热核聚变在科学技术上是一件很难的事。当今的Z箍缩技术，能够最经济、最简便地创造大规模聚变的条件。”彭先觉说。

所谓Z箍缩，是依靠轴向电流产生的电磁力使自身箍缩或向轴线内聚运动的柱对称等离子体构形。能够在实验室条件下创造出极端辐射和高能量密度物理环境，乃至达到聚变点火条件。“这是一种新型的驱动方式，也是具有独特优势和充满希望的一条技术路径，受到国际上的广泛关注。”中国工程物理研究院流体物理研究所所长邓建军研究员介绍说。

从20世纪末开始，随着Z箍缩技术取得突破，以美国圣地亚为代表的武器实验室提出了多种用于驱动Z箍缩的大型装置概念设计，如美国的Jupiter，ZX，X—1等装置的概念设计。目前，俄罗斯成立了全国的Z箍缩研究联合体，准备在2020年前建成可以研究聚变点火的BaiKal装置（50MA级）。英国的帝王理工，开展的主要工作在电磁内爆物理和实验方面。

Z-FFR有效应对未来能源问题

“我之所以认为Z-FFR是未来最具有竞争力的千年能源，原因有三。”彭先觉说，“首先，当今的Z箍缩技术，能够最经济、最简便地创造大规模聚变的条件；其次，我们创造性地提出了‘局部整体点火’聚变靶概念及与之配套的负载、靶设计技术和设想方案，该技术路线一定程度上降低了对Z箍缩驱动器的技术要求，完全有可能适用未来能源的要求；最后，我们创造性地提出了‘次临界能源堆’概念，次临界能源堆具有明显特点，例如，无临界安全事故，且容易实现非能动余热安全，不会出现放射性泄露事故，具有很好的固有安全本质；铀利用率大于80%，所以受资源约束小；核燃料制造和循环简单、换料周期长，核废料少、易处理。适合于混合堆应用，同时也大大地提高了聚变裂变混合堆的竞争力。”

“由于这些关键技术的解决，使我们看到了一种有效应对未来能源危机和环境、气候问题的新能源曙光。”彭先觉说。

邓建军介绍说，聚变能源清洁、安全、原料丰富，实现氘氚可控核聚变是人类解决未来能源发展需求的重要技术路径。相比于武器装置，受控核聚变是实验室环境中综合技术水平的高度体现，具有极高的技术挑战性。

对于“Z—箍缩驱动混合堆”方案，中科院理论物理研究所何祚庥院士表示认同：“相比现有其他方案，该方案在性能上优越得多，其可行性也比其他方案现实得多。”同时他认为，改进型“Z箍缩方案”中有关驱动器即“超大型”的“高电压”“短脉冲”的电源的研究，不仅有利于“Z箍缩驱动”的实现；而且其中所需的大型电源，也是当今我国国防建设上最大的短项。

“从核裂变走向未来的受控核聚变，将是一个科学的发展方向和历史过程。”中国工程院院士、原副院长杜祥琬介绍说，目前在我国，ADS堆、小型堆、裂变—聚变混合能源堆等都在研究中，需要适时进行科学的评估和论证。就新型裂变—聚变混合能源堆而言，后处理简单、对聚变中子源强度要求低，并利于防止核扩散。

“然而在核电站的持续发展问题上，不仅需要妥善解决放射性核废料的嬗变及其储存问题。而且核电站停止运转后的各个部件，甚而其门窗，都会带放射性，都有一个退役后如何存储的问题。”何祚庥提醒说，“有一个重大缺点，那就是‘放射性核’如何‘处理’或‘去除’，也就是能否‘嬗变’”。

杜祥琬指出：“目前，从铀资源到燃料元件的生产，直到后段的乏燃料贮存、处理及放射性废物的最终处置，都需高度重视，及早筹划和落实实施。”

待建实验原型验证技术路线前景

作为承办方之一，北京应用物理与计算数学研究所所长李华指出：“事关国家能源发展的路径和方向问题，容不得半点马虎和差错。只有经过充分的科学和技术论证，业内专家们讨论认可之后才能开展下一步工作。”

从2000年开始，中国工程物理研究院决定开展Z箍缩研究。理由是有利于开展聚变及高能密度物理研究，并希望走出一条聚变研究的新路线。“到目前为止，我们已开展多轮Z箍缩电磁内爆实验。今后，聚变裂变混合堆还有两步要走，即完成总体论证和概念设计，有了基本判断后，将建立实验原型验证装置。这些完成之后才是工程应用或者商业应用。”李华说。

邓建军指出，目前国际上尚无驱动电流大于30MA 的超高功率重频驱动器，相应的技术路线探索和概念设计是国际同行共同关注的焦点。基于现有的技术水平和发展潜力判断，Z-FFR驱动器虽然具有相当难度，但技术上是可行的，制定一个可行的发展规划对Z-FFR技术的发展十分必要。

彭先觉表示，该项目最重要的关键是聚变，需要通过实验证明该技术路线的可行性。“建议国家有关部门尽快设立研究专项，批准并完成建造40MA级驱动器的立项，以争取在2020年左右能够建成可研究聚变和次临界能源堆模块原理的实验装置，为准确判断这条技术路线的前景提供依据。”