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。

Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆总体概念研究进展

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)在核安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境、气候问题的新能源。从Z箍缩驱动聚变方案与聚变靶设计、重复频率驱动器、次临界包层及产氚包层设计、燃料循环等关键问题方面,对Z-FFR工程概念总体研究情况进行了介绍。

惯性约束核聚变的燃耗与增益

在讨论惯性约束核聚变基本原理及特点的基础上,推导和计算了靶丸等离子体的燃耗与增益,并进一步探讨了快点火物理。

D-~3He先进燃料靶惯性约束聚变的燃耗和增益

计算了球形均匀D 3He先进燃料靶惯性约束聚变(ICF)的燃耗和增益。讨论了这种堆系统的能量平衡。设计了一种新型的由毛细管阵列组成具有抗辐射损伤、可自动更新的液态金属锂自由表面多孔湿壁,用它取出聚变能。同时与D T热核燃料靶系统的燃耗和增益及它们不同的堆工程特性作了比较。

惯性约束聚变／裂变混合堆核能系统的概念研究

在惯性约束聚变尚未达到能量得失相当的条件下，以惯性约束聚变产生的中子作为驱动源，￣（２３８）Ｕ或￣（２３９）Ｐｕ与￣（２３８）Ｕ的混合物作为包层核燃料，进行了聚变裂变混合放能系统的概念研究。提出了以少量￣（２３９）Ｐｕ作为“助燃剂”，用以提高包层能量倍增的概念。￣（２３９）Ｐｕ的引入提高了包层的通量水平，加速了￣（２３８）Ｕ的造钚和钚的燃烧过程，实现了消耗￣（２３８）Ｕ释放能量而不消耗或很少消耗￣（２３９）Ｐｕ，并使包层能量倍增达到３０以上，从而为惯性约束聚变的早期应用和以￣（２３８）Ｕ为裂变能源燃料的持续发展提出了一条可能的途径。

聚变-裂变混合堆物理概述

本文简要地介绍了托卡马克型聚变-裂变混合堆的等离子体约束、包层中子学设计、裂变燃料生产、能量增益等物理问题,阐明了聚变-裂变混合堆的优点及其在由裂变能源向聚变能源过渡中所可能起的重要作用。

200MW惯性约束混合堆燃耗计算

建立不生产２３９Ｐｕ的惯性约束聚变裂变混合电站是可行的。我们使用ＢＩＳＯＮ程序［４］计算了２００ＭＷ电站主要特征量随时间的变化，计算结果表明裂变包层并不总是次临界的。