“千年能源”離商業化有多遠

12月初舉行的“國防郵電產業職工技術創新成果展”上，中國工程物理研究院（以下簡稱“中物院”）核物理與化學研究所參展的Z箍縮聚變-裂變混合堆（簡稱Z-FFR）模型，再次點燃了人們關於“千年能源”的無限遐想。

從2008年中物院率先提出“Z箍縮大能量驅動-局部體點火聚變概念”和“先進次臨界能源堆”概念﹔到2011年Z-FFR概念設計研究獲得國防科工局核能開發項目支持﹔再到今年2月該項目通過驗收，形成Z-FFR基本技術路線和實驗堆初步概念設計。目前，該研究正進入開展“Z箍縮驅動聚變-裂變混合實驗堆”關鍵技術研究的嶄新階段。

未來該研究將帶來哪些成果和突破？記者日前獨家採訪了中物院核物理與化學研究所混合堆研究團隊。

一條有競爭力的能源技術路徑

聚變裂變混合反應堆是由彭先覺院士基於武器設計靈感，集近期可獲得的聚變技術和較成熟的裂變技術，通過精密設計系統內的中子能譜分布，提出的具有創新性的核聚變能源利用新構型。

團隊首席專家李正宏研究員說，按照今年2月通過驗收的設計方案，Z-FFR主體由Z箍縮聚變堆芯和能源包層構成，堆芯產生聚變中子，驅動包層裂變，實現中子增殖和能量的放大輸出，並維持堆的氚自持。

李正宏說，要實現同等規模的能量輸出，Z-FFR相比純聚變堆可將材料中子輻照損傷和氚消耗降低約一個量級，能量增益提高一個量級，大幅降低建堆的難度。

實驗堆將為商業示范“打前站”

要將Z-FFR設計概念發展成可規模部署的能源堆技術，首先要建實驗堆。

“建立必要的綜合性研究平台，以驗証能源背景下Z箍縮聚變、深次臨界能源包層、燃料循環等關鍵技術，對Z-FFR相關的物理、技術、材料和工程問題進行系統研究與試驗，以充分降低其工程技術風險。”李正宏說，團隊的Z-FFR實驗堆建設計劃，正是圍繞上述目標提出。

他介紹，擬建設的Z-FFR實驗堆，將研制由10MW級Z箍縮聚變堆芯、可變構型能源包層實驗系統、在線氚燃料循環實驗系統等構成的綜合性研究平台，逐步突破能源背景下Z箍縮聚變、深次臨界能源包層和燃料循環等方面的關鍵技術，開展Z-FFR物理、技術、工程問題研究和技術集成，為后續發展Z-FFR商業示范堆創造必要條件等。

談到項目可行性，團隊首席專家助理黃洪文研究員認為，自20世紀末，基於Z箍縮的慣性約束核聚變已取得裡程碑式進展，為實驗堆研發奠定良好基礎。

2008年，中物院就提出了“Z箍縮大能量驅動-局部體點火聚變概念”和“先進次臨界能源堆”概念，研究証實可以在約等於40MA電流條件下實現聚變點火燃燒和貧鈾的直接利用﹔同年10月，相關團隊進一步提出將Z箍縮聚變技術與先進次臨界能源堆技術結合，形成以滿足能源應用為基本訴求的Z-FFR概念。特別是自2011年Z-FFR概念設計研究立項后，研究團隊已形成基本技術路線、實驗堆初步概念設計等，為開展下一階段Z-FFR實驗堆的研制工作提供了前提條件。

“此外，中物院長期從事爆炸式聚變、裂變反應裝置的研制、運行和相關物理、技術、工程、材料等問題的研究，建有大型科學計算平台、多用途研究堆、聚龍一號裝置、臨界/次臨界裝置及在線產氚實驗平台等一系列重大基礎研究設施，具備開展Z-FFR實驗堆研制工作的技術能力和基礎條件。”黃洪文說。

或引發核能源研究“蝴蝶效應”

“作為一項未來的尖端大科學設施，實驗堆的建設不僅有利於聚變裂變混合堆研究本身，更可為我國強輻射物理、高能密度物理、天體物理等基礎科研提供不可多得的實驗研究條件。”中物院核物理與化學研究所所長彭述明研究員說。

他認為，實驗堆將有利於我國慣性約束聚變能源科學、技術與工程體系的構建，促進Z箍縮直接驅動-整體點火等重大科技創新概念的完善，推動高增益聚變燃燒物理、高功率脈沖功率技術、高峰值功率次臨界堆、復雜體系氚自持循環等一批尖端科技的發展。同時，也有利於我國核能領域核心材料研制能力的提升，推動高溫、高壓、強輻射等極端條件堆材料技術的發展，為我國建立核能材料完整的研發體系提供助力。據悉，僅在此前實驗堆初步概念設計階段，相關研究團隊已先后獲授權發明專利15項。

“總體來看，著手開展Z-FFR實驗堆研制的時機已經基本成熟，基本條件業已具備，我們有希望也有能力聯合國內外研究機構努力實現關鍵技術的突破，完成本項目Z-FFR實驗堆的研制和建設。”李正宏說。 （盛 利）