聚变能源研究态势及展望

聚变能源开发有望重塑未来能源发展格局,正处于突破工程能量“得失相当”的关键阶段,机遇与挑战并存。本文总结了聚变能源研究的主要进展,凝练了能量平衡尚未实现、氚自持尚未得到验证、实现高可利用率难度极高、耐辐照材料开发进展缓慢、使用经济性普遍较差等发展挑战。在梳理国际热核聚变实验堆(ITER)计划的共性基础技术突破、成员国配套研究的基础上,归纳了我国磁约束聚变研究的整体规划、自主项目部署、技术路线跟踪等方面的进展。进一步,围绕我国自主提出的Z箍缩聚变裂变混合堆(Z-FFR)概念,阐述了基本原理、应用优势、系列进展,提出了面向2040年实现商业化供能目标的发展规划,涵盖关键技术攻关、工程演示、商业发电推广等阶段的任务目标。为了全面推进我国聚变能源开发进程,建议在磁约束聚变方面深入参与ITER计划和相关国际合作,攻克商用聚变堆关键物理与工程技术,开展中国聚变工程实验堆(CFETR)主机关键部件研发并适时建设和运营CFETR;在Z-FFR方面,加快“电磁驱动大科学装置”建设,开展聚变能源关键技术攻关,推进Z-FFR工程演示和商业应用。

浅谈激光聚变

美国国家点火装置的物理实验结果,跨越了热核聚变点火这一标志性的门槛,再次引起了学术界和大众对可控热核聚变研究的兴趣。文章介绍了热核聚变的基本概念、激光聚变的主要内涵和激光聚变点火研究的进展。

欧洲联合环最终实验创造聚变能输出新记录

近日,欧洲联合环(JET)最终的氘氚实验创造了新的聚变能记录,实现了氘氚反应,同时创下了世界能源输出纪录。英国聚变界认为这是聚变科学与工程领域的里程碑。在最终氘氚实验中,JET持续产生了5秒高聚变功率,使用0.2毫克燃料,创造了69兆焦耳的纪录。300多名科学家和工程师为这一实验做出了贡献。JET的研究成果对国际热核聚变实验堆(ITER)、欧洲聚变原型发电厂(DEMO)和其他核聚变项目都具有重要意义。

轰动一时的常温核聚变

核聚变是可供选择的少数几种长期能源之一。受控核聚变反应,能有效地解决可靠的能量供应问题,彻底解决人类面临的能源短缺问题。早在50年代初,一些国家就开始研究磁约束聚变反应;60年代开始研究惯性约束聚变反应;70年代末,实验和理论两方面的进展,使μ子催化冷核聚变成为代替高温热核聚变而值得认真考虑的一个竞争对手。各国科学工作者经过几十年的探索,取得了很大进展,但是还有大量理论和技术问题有待解决。常温核聚变的发现掀起了常温核聚变研究热潮英国南安普敦大学弗莱希曼教授和美国犹他大学庞斯教授去年3月23日宣布常温核聚变实验成功。

核聚变:未来能源之星

2023年12月14日,中核集团核工业西南物理研究院与国际热实验堆ITER(世界最大的“人造太阳”项目)总部,在法国卡达拉奇签署协议,宣布新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放,邀请全世界科学家来中国集智攻关,共同追逐“人造太阳”能源梦想。这对探索未来聚变堆前沿物理问题,提升核聚变能源经济性、可行性,加快实现聚变发电具有重要意义。

“聚变装置中真空与低温技术”专刊序言

聚变能具有燃料丰富、清洁、安全性高、能量密度大等突出优点,被视为终极能源。当前可控核聚变主要包括磁约束及惯性约束两个重要方向。真空与低温技术是聚变能开发的重要支撑技术,真空系统主要为聚变等离子体提供清洁的高真空环境,直接影响高温等离子体的品质。

紧凑型聚变反应堆电子温度破纪录

据报道,美国聚变能源技术公司Zap Energy采用独特方法——剪切流Z箍缩,使核聚变温度远远超过了10000000℃,而且该设备规模比其他聚变系统小得多。10000000℃大致相当于太阳核心温度,是核聚变温度的一个里程碑。自人类首次产生聚变反应以来的90年里,只有少数技术能使聚变等离子体电子温度达到10000000℃。研究论文详细介绍了Zap Energy公司的聚变Z箍缩实验(FuZE)。对1~3 keV等离子体电子温度进行测量,大致相当于11000000~37000000℃。实验中,电子能够快速冷却等离子体,突破了聚变系统的关键障碍。研究人员认为,FuZE是目前实现可控核聚变的最简单、最小且成本最低的设备。

成功复制核聚变点火意味着什么

这是人类历史上第一次在人工控制环境下实现核聚变反应,但是要走向核聚变能源实用,除了多次重复试验之外,还需获得更高的能量增益,此外还需解决一些与核聚变发电相关的工程技术问题。

美研究发现改善聚变等离子体控制新方法

【美国核学会网站2024年5月9日报道】美国普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)最新的模拟研究发现,综合使用共振磁扰动(RMP)和电子回旋波电流驱动(ECCD)两种已知方法,能够对聚变等离子体实施更好的控制。相关研究成果已在科技期刊《核聚变》发表。在托卡马克磁约束聚变实验中,强约束等离子体边界区域会周期性地爆发一种称为边界局域模(ELM)的不稳定性。

磁约束核聚变托卡马克装置研究进展与展望

本文围绕磁约束核聚变实验阶段的重点科学问题以及聚变工程化过程中面临的主要挑战,重点介绍了国内外托卡马克装置的发展历程及现状,概述了主要在役托卡马克装置的基本参数、主要任务、重要里程碑、当前重点研究方向及相关发展规划等。国际磁约束聚变研究已由等离子体物理实验为主逐步迈向重点聚焦聚变堆核工程与技术研发阶段,加快建立聚变能开发产业体系是推动受控核聚变技术发展的关键。本文还对磁约束核聚变托卡马克的未来发展方向和技术路径进行了分析和展望,并归纳提出加速聚变发展需尽快布局的核工程与核技术重点方向。

激光惯性约束聚变堆包层能量沉积特性

参考国内外聚变堆技术,建立了一种200 MW激光惯性约束聚变堆包层概念设计,包层采用超临界二氧化碳和锂铅双冷结构。研究构建了瞬态和稳态耦合模型计算包层温度分布及变化。靶丸内爆反应使用MULTI-IFE进行计算,核热耦合部分基于蒙特卡罗程序OpenMC和自编程换热模型对包层模型结构、冷却和产氚进行计算。研究结果表明,核热耦合模型能够完成对包层的初步计算分析,周期性的瞬态载荷会引起第一壁面温度的振荡,但包层内部的温度最终会收敛到稳态计算结果。堆腔尺寸对于降低温度以及震荡效果明显,但仍需氙展平辐射功率峰。包层产氚和能量导出同时受到堆腔尺寸和增殖区的影响,在200 MW工况下,3 m半径和0.25 m增殖区尺寸计算结果最能满足需求。

核聚变中的核物理问题

采用标准的量子力学方位阱加库伦位垒,计算了氘 氚聚变截面。给出了0.2～280keV能区内的截面数据,与实验符合得很好。此模型说明了不可用Breit Wigner公式来讨论轻核聚变反应。将此模型运用于束缚态带电粒子之间的核反应,可以解释一系列"异常现象",并展现了开发不带强放射性的聚变能的前景。

未来能源——可控核聚变

可控核聚变因其具有资源丰富、固有安全性、环境友好等优点,是目前认识到的可以彻底解决人类社会能源问题与环境问题,推动人类社会发展的根本途径。我国针对核能的发展制定了“热堆—快堆—聚变堆”三步走的战略。早在20世纪50年代后期便布局开展可控核聚变研究,1965年在四川乐山建立了我国磁约束核聚变研究基地。先后建成了箍缩、仿星器、磁镜、反场、托克马克等多种类型的磁约束核聚变实验研究装置,并于1984年建成了我国磁约束聚变领域第一座大科学装置(中国环流器一号),实现了从原理探索到规模实验的跨越。90年代国际聚变研究设施JET等装置上实现了核聚变反应,等效聚变增益因子超过了1,验证了可控核聚变的科学可行性。于2006年七方(涉及到30多个国家)签署了国际热核聚变实验堆(ITER)计划实施协定,以验证聚变能的科学和技术可行性。从ITER到示范站及聚变电站,还有多项科学技术与工程难题需攻克,如高性能燃烧等离子体运行、氚自持、聚变堆材料等等。各方将ITER作为其聚变能开发路线图中的关键设施,这些年将集中力量确保ITER的成功建设与运行,以及ITER运行实验人才的培养。与此同时,积极开展下一代核聚变堆的设计研究,并针对未来聚变堆中ITER未涵盖的核心技术进行布局、组织攻关。

“气泡聚变”与冷聚变

论述了“气泡聚变”与冷聚变都属于新型聚变 ,指出中性粒子与核的聚变可在任何温度条件下进行 。

人类首次实现聚变“点火”,激光聚变取得历史性突破

2022年12月13日,美国能源部(DOE)及其下属的国家核安全管理局(NNSA)宣布,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)利用其建立的国家“点火”装置(NIF),在人类历史上首次实现了聚变产能大于驱动聚变发生的激光能量这一“点火”里程碑,将为美国核武器物理规律和效应研究、核武器库存管理等提供重要支撑,为未来清洁能源的发展铺平新的道路,并为高能量密度物理研究提供新的手段和平台。本文专访了中国工程物理研究院激光聚变研究中心郑万国研究员,就发布会传递信息、惯性约束聚变(ICF)实现途径及存在难点、激光聚变“点火”历程、未来ICF和惯性聚变能(IFE)发展前景,以及激光晶体在ICF和IFE中重要作用等业界广泛关心的几个问题进行解读,以期为读者提供专业的信息,使大家进一步了解ICF发展趋势和IFE发展前景,并针对相关晶体材料开展基础研究及关键技术攻关,牵引和支撑未来激光聚变驱动装置建设。

对受控核聚变研究途径的再思考

本文将目前受控核聚变的研究途径分成三大类 :磁约束核聚变 (MCF)、惯性约束核聚变 (ICF)和非常规核聚变途径 .并对三类聚变途径进行分析讨论 ,指出在研究受控轻核聚变时应该结合对原子核结构的研究 ,重视对非常规核聚变途径的探索 ,尤其是对 μ子催化核聚变的研究 .文章还指出了下一步 μ子催化核聚变的主要研究方向 .

CFETR核聚变发电厂储热技术对比

为解决核聚变发电热功率输出不稳定性和汽轮发电机组平稳运行之间的矛盾,中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)核聚变发电厂可运用储热技术对核聚变堆的功率输出进行削峰平谷。储热技术有多种类型,各类储热技术对于核聚变发电厂的适用性亟须进行对比。本文选取核聚变反应堆氦冷陶瓷增殖包层的参数作为储热技术边界条件,通过对储热技术适用温度范围进行评估,初步分析出有潜力运用于CFETR核聚变发电厂的三种储热技术,并对其进行成本初步预测。三大类储热技术均可选出适用CFETR核聚变发电厂氦冷增殖包层温度参数的储热介质。但化学储热由于其吸热和放热存在温差,不利于系统的稳定性及造成能量的损耗,显热储热技术和相变储热技术吸热温度和放热温度温差较小,具有应用于CFETR核聚变发电厂的潜力。初步经济性分析结果显示:相变储热成本最低,其次为熔融盐储热,再次为固相显热储热技术中利用硅砖作为储热介质,固相显热储热技术中利用铸钢作为储热介质成本最高。储热技术中,熔融盐储热技术、相变储热技术、固相显热储热具有应用于核聚变发电厂氦冷增殖包层的先决条件。熔融盐储热技术成熟度较高,有大量工程应用,造价在相变储热和固相显热储热之间,运用潜力较大。相变储热的成本最低,参数适用于核聚变发电,但其技术成熟度较低,有望成为未来研究的重点。

冷核聚变的研究概况及争论

“冷核聚变”似乎是1989年世界科技界的头号大新闻。为了满足广大读者想了解这方面真实情况的要求,本期特载《冷核聚变的研究概况及争论》一文。

核聚变装置偏滤器靶板材料选择与研究进展

可控热核聚变能是人类最理想的清洁能源之一,是解决人类能源和环境问题的根本途径。目前,可控热核聚变能的发展面临诸多挑战,偏滤器靶板作为磁约束核聚变装置中的重要部件,其设计和制造是维持等离子体放电、实现核聚变反应堆稳定运行亟需解决的关键问题之一。作为等离子体轰击最严重区域,偏滤器靶板经受着高能粒子流辐照和高热负荷冲击(10 MW·m^(-2)稳态负荷和20 MW·m^(-2)瞬态负荷),同时承担着磁约束聚变装置最主要的排热功能。因此,研发具有优异性能的靶板材料是推动核聚变能发展的关键一步。目前,金属铍、碳基材料以及钨基材料是主要的3种偏滤器靶板候选材料。基于国内外现有研究成果,论述了偏滤器靶板材料的选择与研究进展,对比分析了3种候选材料的优势以及存在的问题,以期为偏滤器靶板材料的选择、研发提供借鉴。

人类“终极能源”:可控核聚变

能源,是人类的永恒话题,从钻木取火、水车风车、挖煤烧炭到蒸汽机、内燃机、火车、汽车,再到飞机、火箭,都离不开能源的驱动。从煤炭、石油等传统化石能源到太阳能、风能、海洋能、地热能、核能等新能源,能源利用的形式越来越丰富多样,也越来越高效环保。20世纪40年代,为追求更高的能量效率和更环保的能源方式,人们开始研究可控核聚变。如今,可控核聚变被誉为人类“终极能源”之解决方案。