聚变能源研究态势及展望丨中国工程科学

学术   2024-11-20 08:02   江苏  

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本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2024年第4期

作者:彭先觉,高翔,李建刚,刘永,邓建军,李正宏,周良骥,师学明

来源:聚变能源研究态势及展望[J].中国工程科学,2024,26(4):190-197.


编者按

核能具有安全、清洁、低碳、稳定、高能量密度等优点,是人类未来理想的基荷能源。聚变能源开发综合解决我国核能发展面临问题的重要途径,对重塑未来能源发展格局,保障能源安全、实现“双碳”目标具有重要意义。当前,聚变能源发展前景广阔,正处于从科学研究到工程实践、再到商业应用的发展转折点,机遇与挑战并存。


中国工程院彭先觉院士、李建刚院士和邓建军院士研究团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2024年第4期发表《聚变能源研究态势及展望》一文。文章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。



一、前言


核能具有安全、清洁、低碳、稳定、高能量密度等优点,是人类未来理想的基荷能源。近年来,国际社会对待核能的态度正在发生积极的转变,22个国家在第二十八届联合国气候变化大会上共同发表《三倍核能宣言》,力争在2050年全球核电装机容量突破1.1×109 kW、全球温升控制在1.5 ℃度以内。2023年,世界查明可开采铀资源为7.92×106 t,按照1.1×109 kW核电装机容量估算,铀资源仅够维持40余年使用。未来国际铀资源的竞争将更为激烈。


在我国,2023年的核电装机容量为5.7×107 kW,占总发电量的4.86%;预计2035年的核电装机容量将为1.5×108 kW,相应占比接近世界平均水平(10%);2050年的核电装机容量将为3×108~4×108 kW,相应占比接近世界发达国家水平(18%)。要实现上述核能发展目标,我国铀资源保障压力将逐步增大。此外,我国核能面临查明沿海厂址资源短缺、乏燃料处置困难等问题,制约着未来的发展规模。综合解决我国核能发展面临的问题,主要途径包括发展第四代先进快中子堆、开发聚变能源;如此,核能发展规模可以大幅增加,有望逐步成为未来的基荷能源,为保障能源安全、实现“双碳”目标筑牢基础。其中,开发聚变能源更为前沿,近年来受到核能大国普遍重视,存在着激烈的国际竞争。


1952年首次氢弹原理试验成功,标志着地球上首次实现规模化的聚变放能。此后,各国积极探索在实验室条件下实现可控热核聚变。我国在此方面的研究基本与国际同步,《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要(修正草案)》(1956年)中的“和平利用原子能”部分即提到进行有关热核反应控制的研究;之后主要围绕磁约束聚变、热核武器进行科研部署,后者又催生了激光惯性约束聚变、Z箍缩惯性约束聚变等研究。当前,聚变研究正处于从科学研究到工程实践、再到商业应用的发展转折点,预计2030年前后可以突破工程能量“得失相当”,随后进入聚变能源商业开发阶段。聚变能源开发有望重塑未来能源发展格局,得到了世界性关注。


本文主要阐述三方面内容:聚变能源研究进展及挑战、磁约束聚变研究进展、Z箍缩聚变裂变混合堆研究进展及规划。以此梳理国际聚变能源研究态势,阐明我国本领域的自主研究进展与与未来发展规划,进而形成我国聚变能源领域发展建议。


二、聚变能源研究进展及挑战


(一)聚变能源主要研究进展


1. 磁约束聚变方向稳步推进


20世纪末,在JT60等大型装置上相继实现或接近实现能量“得失相当”条件。进入21世纪后,各国围绕国际热核聚变实验堆(ITER)计划开展聚变研究攻关,增强了实现ITER科学目标和工程目标的信心。随着高温超导材料、人工智能技术的进步,开发紧凑型聚变装置成为新的热点,以美国的“紧凑经济耐用型”托卡马克装置(SPARC)、英国的球形托卡马克能源生产装置(STEP)为代表。


2. 惯性约束聚变方向取得重要突破


聚变靶物理原理和设计技术已经成熟。2022年,美国国家点火装置(NIF)实现具有能量增益的聚变点火并随后多次复现,以实验室手段验证了惯性约束聚变技术路线的可行性。Z箍缩聚变能量转换效率高、建造成本相对低,更适合发展为聚变裂变混合能源,具有更好的能源应用前景。我国“电磁驱动大科学装置”正式立项,建成后有望率先实现单发聚变数百兆焦、工程聚变增益>1的突破。


3. 聚变能源开发受到高度关注


近年来,全球资本市场开始高度关注聚变能源领域,已有超过40家商业公司介入相关业务,总投资额超过60亿美元。2022年,聚变产业联盟、可控核聚变创新联合体分别在合肥市、成都市成立,均致力于推进我国聚变能源产业发展。2030年前后进入聚变能源商业开发初级阶段成为当前的基本判断。也要清醒地认识到,聚变技术研究与聚变能源开发之间依然存在“鸿沟”,需要科学规划、协同攻关,才能早日实现聚变能源应用目标。


(二)聚变能源发展面临的挑战


能量平衡、氚自持、可利用率、耐辐照能力4个指标最为关键,可用于各种聚变堆的技术性能差异比较。聚变能源发展需要跨越4个里程碑节点(见表1):节点1为当前的领域最优水平;节点2为ITER水平;节点3为聚变商业示范堆(DEMO)水平;节点4为第一代商业堆水平。近年来,各种聚变技术路线均取得显著进步,但面向能源应用的聚变技术路径尚未获得闭环验证,相应开发工作面临着多重挑战。跨越这4个节点后,聚变能源还面临经济竞争力差的困境。


表1 聚变能源开发的重要里程碑节点

注:聚变放能和输入能量相等是能量“得失相当”条件(QSci=1),视为聚变 科学可行性的门槛;输出电能与输入电能相等是工程意义上的能量“得失相当”条件(QEng=1),视为聚变工程可行性的门槛;dpa表示平均每个原子离 开平衡位置的次数。


1. 能量平衡尚未实现


磁约束(单次长脉冲放电)、惯性约束(脉冲爆炸)条件下分别实现QEng=1所需的QSci值存在一定区别。对于磁约束聚变,实现QEng=1的目标需要QSci=7,有望在ITER上实现。对于激光惯性约束聚变,由于电能转换为激光的效率不足1%,实现QEng=1的目标需要QSci=300,因而发展为能源的可能性很低。对于Z箍缩聚变,由于输入的是电能,实现QEng=1的目标需要QSci=3。


如果进一步考虑发电演示,磁约束聚变要达到稳态运行且至少QEng=5,这是具备商业开发可行性的门槛。对于Z-FFR,要求M · f · QEng=5(f、M分别为重复运行频率、包层能量放大倍数)。目前,聚变能源开发正在从QSci=1向QEng=1迈进,相较商业应用(QEng=5)还有不小的距离。


2. 氚自持尚未得到验证


在聚变功率为1×106 kW的反应堆中,氚的消耗量约为152 g/d、55.5 kg/a,而世界上现存的氚总量不足30 kg。显然,聚变堆要实现商业应用,必须实现氚自持,即自身生产的氚能够补充消耗的氚,最好还能在5 a后增殖出启动下一个聚变堆所需的氚。受氘/氚等离子体燃耗、氚循环处理能力等方面的限制,实现氚自持面临着一系列的技术挑战,目前尚不具备验证条件。


3. 实现高可利用率难度极高


可利用率相当于占空比或者负荷因子,反映按名义功率运行的放能时间占比,直接影响未来聚变能源的经济性。聚变堆包含多个物理特性差异显著的子系统,复杂度远超裂变堆,因而简化系统设计是提高聚变堆可利用率的有效手段。Z箍缩聚变堆的驱动器和包层在空间上是分离的,有利于模块的更换和维护并提高系统可靠性。可利用率取决于各子系统的平均无故障工作时间、平均维护时间,而相关数据需要通过大量的实验验证才能得到,此点还没有引起研究者的普遍重视,这对开发聚变能源是非常不利的。聚变堆可利用率达到50%仅相当于第一代裂变堆的水平,而当前的裂变堆可用率高达90%。


4. 耐辐照材料开发进展缓慢


聚变产生的是高能中子(14.1 MeV),其能量远高于裂变堆中子。由于缺少合适的聚变中子源,材料在高温下的耐辐照能力无法通过实验来直接考核。ITER装置的氘 / 氚运行总时间有限,全寿命周期内材料辐照损伤只有3~5 dpa,而不锈钢材料的中子辐照理论极限为50 dpa。然而,聚变能源应用需要开发至少能耐200 dpa辐照的材料,相关工作极具挑战性。


5. 第一代聚变堆经济性普遍较差


与节点4对应的第一代聚变堆,其经济性依然远低于裂变堆。按照ITER计划的初期测算,电功率为1×106 kW的聚变堆,建造成本至少为150亿美元。作为中子倍增剂的铍,资源比较稀缺,加工成小球后价格进一步提高(约10万元/kg);中国聚变工程实验堆(CFETR)设计方案中的铍球用量>300 t,未来如果采用铍来增殖中子,将面临铍资源短缺的问题。采用高温超导材料的紧凑型聚变装置可以降低建造成本,但是第一壁中子辐照损伤会显著增加,更换周期也会相应缩短。


三、磁约束聚变研究进展


磁约束聚变装置包括托卡马克、仿星器、反场箍缩等类型,其中托卡马克是投入最大、发展最成熟的类型。在托卡马克中,中心螺管线圈产生的欧姆场可以电离氘、氚等燃料形成等离子体;等离子体电流自身会产生极向磁场,该极向磁场与环向场线圈产生的纵场耦合后形成螺旋形磁场,等离子体在耦合磁场中做环形螺旋运动。通过欧姆、离子回旋、低杂波、中性束注入等方式加热被约束的等离子体,进而使等离子体达到点火条件并发生聚变反应。基于数十年的实验积累,欧盟、中国、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度作为成员方,合作实施了ITER计划;我国在参与ITER计划的同时,结合国情自主推进CFETR研发。


(一)ITER计划聚焦共性基础技术突破


ITER计划实施标志着世界聚变研究进入新发展阶段。2020年进行了ITER重大工程安装启动仪式,完成安装调试后将进入氢、氘等离子体实验阶段;预计2039年进入第二阶段,探索氘-氚放电试验。集成验证先进托卡马克运行模式是ITER计划的科学目标,面临多方面的物理过程和技术挑战,如等离子体的长期稳定运行、聚变阿尔法粒子的物理过程。ITER计划的工程技术目标涉及:用于未来聚变堆的磁体及其相关的供电与控制技术,聚变堆用高功率辅助加热技术,稳态燃烧等离子体的产生、维持与控制技术,加料和排灰技术,高热负荷材料实验,低活化结构材料实验,氚增殖、氚回收与防氚渗透实验,中子屏蔽及中子能量慢化技术,热室技术,远程操作及维修技术。相关技术和实验的突破,将为聚变能源开发利用提供坚实的支撑。


(二)ITER计划成员国开展配套研究


ITER计划牵引了成员国的托卡马克装置发展。各国参与ITER建造和实验,掌握最前沿的聚变技术以及难得的工程实践经验,又进一步促进聚变能源研究的国际合作。与此同时,欧盟、美国、日本等优势国家和地区都在积极探索新一代聚变装置,如欧盟的聚变发展路线包含了3个阶段:近期将在欧洲联合环装置(JET)上进行实验研究,包括氘、氚实验以及ITER配套实验;中期和长期计划推进EU-DEMO装置的设计与建设,最终验证聚变能源商业化的可行性。按照更新后的计划,ITER将在2039年开始使用氘、氚聚变燃料,JET的实验进展增强了科学家实现ITER最终目标的信心。我国在2006年正式加入ITER计划,作为成员国负责多个重要部件的研发设计、制造、装配等任务;参考ITER计划安排,结合国情实际、聚变技术发展趋势,独立提出了磁约束聚变能源发展技术路线。


(三)我国磁约束聚变研究规划


1. 磁约束聚变整体规划


自20世纪90年代起,我国稳步推进托卡马克研究,先后建成了合肥超环(HT-7)(目前退役)、中国环流器二号(HL-2A)、东方超环(EAST)等装置,相关装置的建设和运行为我国聚变研究提供了重要平台。为了推进聚变能源商业化的目标,我国自主制定了磁约束聚变能源发展路线图,分为3个关键阶段:推动CFETR立项并开始装置建设,形成聚变技术实践的基础条件;计划2035年完成CFETR建设,调试装置运行并进行物理实验,逐步验证聚变能源的可行性与稳定性;在CFETR装置上进行磁约束聚变能源的难点技术探索,计划2050年前后建成商业聚变示范电站,实现磁约束聚变能源的商业化应用。为了确保系统的稳定、安全运行,CFETR项目着力突破:稳态的氘、氚等离子体运行技术,氚的增殖、循环、自持燃烧技术,适应长时间高中子辐照、高热负荷环境的聚变堆壁材料技术。此外,合肥综合性国家科学中心承担的“聚变堆主机关键系统综合研究设施”(CRAFT)项目,重点开展聚变堆主要关键系统的设计与开发。为了获得稳定的聚变能源输出,长脉冲是未来聚变堆的重点参考运行方式,但技术难度较高。氚自持的燃料循环、耐高能中子辐照材料等也是聚变能源商业应用的工程技术难题。


近年来,我国磁约束聚变能源技术进步明显,如EAST装置创造了多项世界纪录(以实现超导托卡马克准稳态双输运垒为代表),2023年实现403 s稳态长脉冲高约束模运行。中国环流器三号(HL-3)于2020年建成,实现等离子体电流>1 MA。相关成果标志着聚变物理实验方面取得显著进展、超导磁体等工程技术达到世界先进水平。中国核电工程有限公司继2020年承担ITER主机安装一号合同后,又于2024年中标ITER真空室模块组装合同,表明我国聚变工程建设能力得到国际认可。


2. 积极推进CFETR研究


鉴于ITER计划目标与未来聚变原型电站之间存在一定的差距,我国在2011年提出了CFETR计划,分步开展CFETR物理与工程设计第一阶段,计划实现聚变功率为50~200 MW、聚变增益为1~5、氚增殖比>1;第二阶段,计划实现聚变功率>1 GW、聚变增益>10。为了适应两个阶段的目标需求,CFETR的大半径、小半径分别设为7.2 m、2.2 m;在第二阶段,着重验证DEMO,探索聚变能源商业化的可行性。“CFETR集成工程设计研究”项目(2017—2020年)顺利结题,全面完成工程设计。


2019年,CRAFT项目正式立项,主体工程涉及极端工况条件下偏滤器系统、大型复杂超导磁体系统等挑战性任务。偏滤器系统包括多个重要组成部分,如偏滤器原型部件、用于工程测试的偏滤器部件工程测试平台、与真空室相关的1/8真空室及总体安装系统、偏滤器原型部件、总控系统、用于远程操作的遥操作系统、辅助加热及电流驱动系统等。超导磁体系统主要涉及磁体性能测试平台、保障磁体稳定性的低温系统、磁体材料综合性能研究平台、中心螺管模型线圈磁体、高温超导磁体、环向场磁体、导体性能研究平台、电源系统等。目前,CRAFT项目全面进入关键部件研制阶段。


3. 紧密跟踪其他聚变技术路线


关注聚变能源国际研究前沿,更加全面地掌握聚变能源技术的新进展,吸收相关研究成果并融入自有聚变能源实践,将增强我国在此领域的竞争力和影响力。近年来,国际上出现了新的聚变堆技术路线。利用高温超导磁体技术开发的紧凑型聚变堆,理论上具有显著的经济优势,也可以加快研发进程,代表性的有美国麻省理工学院的SPARC托卡马克装置、英国卡拉姆聚变能源中心的STEP装置。2023年,德国的仿星器W7-X经过升级,实现等离子体放电时间为8 min,约束性能达到同等规模托卡马克装置的水平。此外,悬浮偶极场等磁约束装置也具有一定的发展潜力。我国正在酝酿紧凑型聚变装置研发,也鼓励高校和科研院所开展其他聚变技术路线探索。我国多家民营企业也在积极参与聚变能源研究,包括新奥集团股份有限公司、陕西星环聚能科技有限公司、能量奇点能源科技(上海)有限公司等,有助于加快聚变能源商业化进程。


四、Z箍缩聚变裂变混合堆研究进展及规划


2008年,中国工程物理研究院提出了Z-FFR概念。Z-FFR的聚变功率大幅降低且中子更加富裕,有望综合解决聚变氚自持、高聚变增益、耐辐照损伤、裂变燃料增殖、超铀元素嬗变等关键科学问题和工程挑战。


(一)Z箍缩聚变裂变混合堆的基本原理与优势


1. Z箍缩聚变裂变混合堆的基本原理


Z-FFR主要由Z箍缩驱动器、聚变靶与爆室、深次临界裂变包层等构成。Z箍缩驱动器选择直线变压器(LTD)技术路线,采用“分而治之”的设计思想,合理降低了器件的功率要求。理论上,一种基本放电单元如果能够重频长寿命运行,且输出时间抖动满足波形叠加要求,就可以基于该基本放电单元并采用LTD电路拓扑结构建立任意规模的驱动器。Z箍缩驱动器产生约60 MA的电流,电流上升前沿约为数百纳秒。电流沿Z轴方向流过薄金属套筒型负载,产生径向箍缩效应:强大的洛伦兹力驱动套筒以每秒数百千米的速度内爆,碰靶动能>10 MJ;套筒碰到靶外的能量转换层后产生强X射线辐射;X射线能量经黑腔均匀化形成近球对称的辐射场,在聚变靶丸的烧蚀层内形成高温和高压并对内部物质区进行压缩,从而创造出聚变点火及燃烧所需的环境条件。


Z箍缩驱动器能量充足、电能转换为碰靶动能的效率>10%、造价相对低廉、辐射能品质优良(辐射到聚变靶丸表面能量均匀度为1%~2%),相较激光器更适合用作惯性约束聚变能源。采用创新设计的“局部体点火靶”,单发聚变放能可达2000~3000 MJ,若驱动器每10 s放电1次,聚变功率可达200~300 MW。聚变产生的高能中子在深次临界裂变包层内引发裂变反应,再将聚变能量放大10倍以上,即可实现1000 MW以上的电能输出。


2. Z箍缩聚变裂变混合堆的优势


Z-FFR有裂变包层的辅助,聚变部分只需达到QEng=1的水平即可实现聚变能源利用。聚变放能规模降低、高能中子辐照损伤减弱、氚初始投料量减少,提高了整体系统的经济性;裂变包层还提供富裕中子,在实现氚自持的同时可以显著提高铀资源利用率、减少高放射性废物产生量。考虑到聚变裂变结合会增加工程复杂度,Z-FFR采用天然铀或者压水堆乏燃料为燃料,借鉴成熟的压水堆技术并采用简化包层设计、延长换料周期、执行“简便干法”后处理等措施,更加利于工程实现。


按照传统观点,聚变是清洁的终极能源,混合堆因引入裂变而不是理想的选择。实际上,无论是磁约束聚变还是惯性约束聚变,作为能源应用时只能以氘、氚作为燃料;氚具有很强的放射性,聚变堆涉氚量为千克量级,如果发生氚的大规模泄露事故,放射性危害将长达数十年。Z-FFR大幅减少氚的用量(爆室中的氚仅为10毫克级),显著降低氚的泄露风险;裂变部分是固有安全的,在借鉴核工业的成熟经验后并不会增加放射性风险。此外,氘、氚聚变算不上终极能源,主要受制于可开采的锂资源量;如果采用铍增殖中子,还需考虑铍资源的限制。陆地上的锂资源可以供应数百年,陆地上的铀资源可以供应上千年。Z-FFR裂变放能是聚变放能的10倍以上,供能时间长达数千年,是人类未来理想的能源选择。


整体上,Z-FFR的应用优势表现在4个方面。① 固有安全。Z-FFR处于深度次临界运行状态,绝对不会发生超临界事故;非能动余热排出系统等多项措施可确保余热安全;涉及放射性操作的部分置于地下,地上、地下部分完全封闭并隔离。② 经济高效。如果不采用混合堆的技术路线,电功率为1000 MW的Z箍缩聚变堆需要由10个小聚变单元组成,相应的系统造价是难以承受的。同等规模的Z-FFR只需要1个驱动器,总建造成本约为30亿美元,与第三代热中子反应堆相当。③ 千年持久。Z-FFR可以方便持续地燃烧铀-238、钍-232,相应的资源利用率>90%,较热中子反应堆提高两个数量级。根据掌握的陆地铀资源储量,如果单独用于能源供给,可以满足数千年的需求。④ 环境友好。采用“简便干法”后处理过程,可分别处理不同的放射性核素。放射性核素量仅有200 kg/a,半衰期30 a以上的长寿命核素均为β衰变,处理方便。堆外可设置厚的水屏蔽层,使环境处于极低放射性水平。三回路水系统可实现准闭式循环。这些措施简便电厂的场址选择与长期服役。


(二)Z箍缩聚变裂变混合堆研究进展


20世纪末,美国圣地亚国家实验室在其Z装置上获得了总能量为1.8 MJ的X光辐射脉冲,电能到X光的转换效率达到15%。2012年,俄罗斯也启动了聚变点火计划,后因经济原因停滞。中国工程物理研究院长期从事热核武器研究,掌握了惯性约束聚变原理。在SNL公布Z装置的结果后,中国工程物理研究院的一些科学家直观感觉,Z箍缩与其他驱动方式相比能更方便、经济地提供聚变所需条件,因而提出了开展Z箍缩聚变研究的建议。随后,我国组建了一支构成精干,涵盖理论、实验、测试、制靶、驱动器的研究团队,系统开展Z箍缩聚变研究工作。


2007年,研究团队正式提出“局部体点火靶”概念,解决了惯性约束聚变点火难、大规模放能难的问题。2008年,研究团队提出了深度次临界能源包层设计理念,正式形成Z-FFR概念。2013年,研究团队研制了输出电流约为10 MA的强流脉冲功率装置,接近美国的Z装置性能。2020年,研究团队研制了与50 MA驱动器单支路同等规模的LTD单路样机装置;实验定标和理论分析表明,50 MA驱动器可以实现点火和大规模放能。2021年,“电磁驱动大科学装置”项目获得立项,采用LTD技术路线,重点验证“局部体点火靶”技术,同时为Z-FFR重频驱动器研制积累工程经验。2023年,研究团队研制了大功率超快半导体开关,可以满足Z-FFR驱动器重频长寿命的应用需求。


(三)Z箍缩聚变裂变混合堆发展规划


瞄准2040年实现Z-FFR商业化供能目标论证发展规划,提出了3个发展阶段的任务目标。


1. 关键技术攻关阶段(2024—2030年)


针对Z-FFR的3项关键技术同步开展攻关,为后续工程建设筑牢基础。① 聚变点火。建设输出电流为50 MA的Z-箍缩“电磁驱动大科学装置”,验证“局部体点火靶”聚变能源技术路线的可行性,在国际上率先实现单发聚变百兆焦级放能、QEng>1。② 长寿命重频驱动器。功率源充放电>3×106次,重复运行频率为0.1 Hz;建设4路驱动器原型演示装置,为建设下一代聚变能源用大电流长寿命重频驱动器储备技术。③ 深度次临界能源包层。形成包层能量放大倍数>10、氚增殖比>1.15的设计方案,开展缩比换料机构、裂变燃料“干法”循环等的演示验证。


2. 工程演示阶段(2031—2040年)


2035年建成1000兆瓦级热功率的池式综合试验堆,采取逐级推进的方式,分步实现集成演示混合堆各项关键技术的演示目标。① 建设60 MA级长寿命重频驱动器。通过逐步调试,实现驱动器重复运行频率为0.1 Hz、运行次数>1×106次/a。② 演示重复频率聚变放能。聚变单发放能为1 GJ,QSci约为20~30,中子源强约为1019n/s,验证换靶和余氚回收等技术。③ 在池式综合试验堆上,验证氚自持、包层能量放大功能(能量放大倍数约为10),考核易裂变燃料增殖、超铀元素嬗变功能;开展聚变堆材料辐照试验、医用同位素生产、区域供热等应用探索,推动聚变能源提前应用,初步演示混合堆的经济性。


3. 商业发电推广阶段(2040年以后)


2035年开始建设1000兆瓦级电功率Z箍缩聚变裂变混合堆,2040年进行发电演示,之后进入商业推广阶段。① 在工程演示阶段的基础上,进一步提高混合堆性能,驱动器运行次数>3×106次/a,聚变单发放能约为2~3 GJ,QSci约为20~30,包层能量放大倍数>15。② 演示聚变堆发电的经济性。③ 建成裂变燃料重整和“简便干法”后处理工厂。④ 逐步推广应用。


五、结语


聚变能源前景广阔,开发机遇与技术挑战并存,正处于从科学研究到工程实践、再到商业应用的发展转折点。面向能源应用的聚变技术路径尚未通过闭环验证,聚变研究距离开发出具有经济竞争力的聚变能源还有“鸿沟”。当前,我国在磁约束聚变、Z-FFR方向处于国际先进水平,Z-FFR有望在2040年后实现商业演示。根据我国磁约束聚变发展规划,有望在2030年前后突破工程能量“得失相当”、2050年前后率先实现聚变能源商业演示。


聚变能源开发可能重塑全球能源发展格局,建议统筹聚变能源开发中的重大问题,合理加大支持力度并集中优势力量,加速我国聚变能源开发进程。在磁约束聚变方面,深入参与ITER计划和相关国际合作,攻关商用聚变堆关键物理与工程技术;着力研发CFETR主机关键部件,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,实施聚变能源关键技术攻关,推进Z-FFR的工程演示和商业应用。



注:本文内容呈现略有调整,若需可查看原文。


注:论文反映的是研究成果进展,不代表《中国工程科学》杂志社的观点。





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