Z-FFR聚变电站：更容易实现的核聚变发电技术

《南华早报》报道称，宣布这一消息的人是中国工程物理研究院彭先觉院士。 9月9日，他在北京远望智库在线会议上表示，“聚变点火是当今世界科技皇冠上的明珠”。 “一颗珍珠”，但要实现聚变点火太难了！

彭院士表示，核聚变点火有两种类型。一是激光点火，利用高频脉冲的极光输出来点燃核聚变燃料芯块，但这需要高性能电容器、激光器等极其高性能的储能设施来驱动。目前技术难度太高。

另一种是磁约束等离子体核聚变，利用磁场约束极高温度的氘、氚等离子体，使其中的氘、氚原子核聚变。它不仅需要对等离子体进行持续加热，而且还需要对其进行长时间的抑制。虽然出现了一线希望，很多技术也取得了突破，但难度仍然很大，距离实际应用还很遥远。

彭院士表示，包含聚变反应堆和裂变反应堆结构的混合反应堆可以相对减少这一难度。 Z-FFR聚变反应堆的中心聚变功率较低，易于实现。聚变用于为裂变提供中子增值，聚变仅占据整个反应堆。裂变占能量的5%和95%。这种混合反应堆可以利用核废料作为原料，将是第一个实现聚变应用的！

Z-FFR混合反应器，采用什么技术？

Z-FFR实际上是Z-箍缩技术和裂变增殖反应堆两种技术的混合。网上关于这方面的信息比较少。笔者在《中国工程科学》杂志上找到了一篇论文，解释得很清楚。 :

Z-pinch实际上是一种惯性约束端。这个说起来有点复杂。这是一个简单的概念。它与惯性约束激光点火核聚变一样具有约束类型，但点火方式改为脉冲。电流产生的强磁场，其标准定义如下：

数十MA的大电流（沿Z方向流动）通过金属圆柱形薄套筒所产生的巨大洛伦兹力（磁压强度达到百万大气压以上），驱动套筒等离子体在高温下径向内爆（箍缩）。以每秒数百公里的速度撞击聚变目标，动能转化为实现聚变所需的辐射能（X射线）和物质内能。

脉冲电流产生的强磁场作用于自身载流等离子体负载，使其在洛伦兹力的作用下向负载轴方向内爆，通过惯性约束实现热核点火燃烧。基于脉冲功率技术的快速Z箍缩技术可以实现从驱动器电能存储到Z箍缩负载动能或X射线辐射能的高效能量转换。 2010年提出的Z箍缩直接驱动激光预热磁化套筒结合了惯性约束中的压缩加热和磁约束中的磁绝缘以及α加热增强的优点，有望为实现聚变提供一种新的途径。

概括的意思是，目前很难突破激光禁闭，但Z-pinch给出了新的方向，使得聚变的门槛更低。原因比较简单。与磁约束相比，聚变腔往往有几栋建筑物那么大，而且聚变腔还不够大。与小型会议室相比，Z 夹点显然要小得多，能量输入也不大。

Z-FFR混合反应堆的另一个关键是亚临界反应堆，它使用低含量的铀235作为核燃料，混合大量的铀238（这是普通核反应堆中的核废料），轻水作为核燃料。传热和慢化介质以及与亚临界反应堆相结合的压水堆技术。

其工作流程如下。氘和氚聚变后的高能中子能量为14 MeV。在被轻水减速后，它们被铀235捕获并发生裂变。裂变产生的2到3个“中能”中子被轻水吸收。减速后，被铀235捕获并再次裂变。

另一个是轻水对减速中子的效果很差（也就是不好）。聚变产生的高能中子大部分没有被减速，而是直接被铀238捕获。高能中子可以直接它的裂变，能量稍低的，也可以让它完成倍增，变成铀239，经过几次衰变，又转化成钚239。

众所周知，钚239是制造原子弹的原料。当然，它也是一种裂变产物，因此混合反应堆中裂变燃料的利用率高得难以想象。比如可以利用快中子增殖反应堆中的钍，这些可裂变或难裂变原料甚至原裂变反应堆中的核废料都可以裂变，利用率可达90%以上。目前，地球上的铀、钍资源可以为人类提供数千年的能源。

另一个关键点是，裂变过程中的大部分中子都是由Z箍缩核聚变提供的。如果Z-FFR混合反应堆失控，Z箍缩核聚变被关闭，提供裂变的高能中子数量将会减少。直到消失，这个裂变反应堆才会逐渐停止，不会出现热失控的问题。这就是亚临界反应堆的安全性。

因此，Z-FFR混合堆的安全性相当高，对中央聚变堆的功率要求相对较低。但目前其制造成本仍然较高。一座100万千瓦Z-FFR混合反应堆的成本约为30亿美元。 。

2028年并网发电？

Z-FFR混合反应堆由三部分组成：Z-箍缩驱动器、聚变靶和爆炸室、亚临界能量反应堆。最关键的技术是 Z 箍缩驱动器，它需要数十兆安的电流才能产生电流。百万个大气压的磁压驱动套筒等离子体以每秒数百公里的高速向心内爆，实现目标聚变。

彭院士认为，聚变研究中使用的需要至少60兆安电流的电流驱动器采用LTD拓扑，以降低基本放电单元的能量和功率；增大电流脉冲的上升前沿时间和负载半径；并提出新型磁绝缘输电线路（MITL）等降低技术要求。

彭院士表示，2025年左右，成都将建成通过极强电脉冲产生磁压的驱动器。该驱动器将产生5000万安培的电流，约为美国桑迪亚国家实验室类似装置的ZZ 。它的尺寸是夹点设备的两倍，是2028年建成Z-FFR混合反应堆的最关键设备，将为2035年完成商业发电做好准备。

核聚变发电技术：有多少种？为什么这么难？

如果你对核聚变路线不是很熟悉，可能会对上面提到的磁约束、惯性约束等关键词感到困惑，不过没关系。下面，我们将继续介绍核聚变的几种路线以及目前的大概进展。

核聚变的类型以及实现的难度

核裂变是一个重原子核受到中子轰击，分裂成两个较轻原子核，释放出2～3个中子和大量能量的过程。核聚变正好与这个过程相反。该过程是两个较轻的原子核。核聚变成两个重核的过程，你没看错，重核裂变和轻核聚变都可以释放出巨大的能量。两者的“交点”就是铁芯。因此，恒星一旦产生铁，就无法聚变或裂变，成为“死球”。未来它会塌陷并形成超新星爆炸。

更进一步，让我们回到核聚变。虽然铁芯之前的大部分原子核都可以聚变，但是实现起来太困难了。因此，科学家们会寻找最容易聚变的原子核。该标准是结合能低。大致顺序是原子。数字越高，结合能越低，氢最低（氢有氕、氘、氚同位素，其中氕占高达99.98%，氘占0.02%，还有微量氚）。然而，两个氕核的聚变必须先吸收能量，将其中一个质子转化为中子，然后将其聚变成氘，这要求太高，只有像太阳这样的核心才能完成，而且效率极高低的。

太阳核心的质子-质子链反应

因此，科学家们直接寻找氘和氚，它们是氢弹中的聚变材料。虽然这两种聚变材料的条件比较低，但如果没有特别高的压力，它们至少需要数亿度的高温，并长期保持这个温度。只有在这种状态下，氘核和氚核才有机会碰撞并完成聚变。核聚变路线就是如何让这两个原子核保持在这么高的温度下进行聚变的技术。

元素结合能

就目前的核聚变路线而言，大体有两个方向。不过，这些技术路线分为多个分支，但原理无外乎以下两条：

磁约束核聚变利用强大的磁场来控制和压缩高温等离子体（经过中性束注入加热、波加热等引入聚变室），使等离子体能够在足够长的时间内保持足够的密度。尽可能多的时间发生许多核聚变反应。

这就是劳森准则（Lawson criteria或Lawson criteria），代表核聚变研究中的品质因数，给出了等离子体（电子）产物的最小所需值密度与“能量极限时间”的比值，这将导致净能量输出比，所以一个单位就足够了。在成熟的磁约束核聚变装置中，提高温度、增加磁场强度、延长约束时间成为最关键的指标。因此，每当有突破的时候，这三个数据基本上都会出现在新闻中。另一个是如何实现的，用了什么技术？ ，没人关心，其实大部分朋友也看不懂。

磁约束：环形磁场成为主流

有很多方法可以通过磁约束路线来约束等离子体。比较常见的是磁镜和环形机。然而磁镜技术早已被淘汰。目前正在使用托卡马克和仿星器。两者都是环形形状，不过托卡马克是标准的环形形状，而仿星器就像是一个环被切成两半，然后“交叉”拼接在一起，形成8字形。

托卡马克和仿星器

两者都属于环形磁场约束路线，但仿星器的支持者认为，用“扭曲”的磁场更容易控制约束阶段的高温等离子体湍流。其实看起来是一样的，但是仿星器有问题。它的尺寸可能太长太大，在20世纪70年代被取消，但在21世纪托卡马克遇到困难时又被重新拾起。目前的仿星器大约落后托卡马克两代。

托卡马克：ITER 的起源

托卡马克是标准环形磁场，ITER（国际热核实验反应堆）也属于托卡马克。它首先由苏联物理学家 Igor Tamm 和 Andrei Sakharov 在 20 世纪 50 年代开发。由于其稳定等离子体平衡的天然优势，到20世纪70年代已在全世界流行（当时有数十台托卡马克装置在运行）。

但托卡马克遇到了小型设备根本无法解决的问题，各国没有能力独立建造大型托卡马克装置。因此，ITER（国际热核实验反应堆）应运而生。参与国家包括中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国。

该实验堆位于法国，于2013年正式开工建设，最初预算为60亿欧元，但预计建设和运营总成本可能高达220亿欧元，总成本可能高达450亿美元至650亿美元之间。总体预计2025年之前完成并测试。

托卡马克的致命问题

托卡马克解决了等离子体稳定性问题。由于等离子体受热不均匀，会受到磁场影响而在等离子体中逸出，造成能量和燃料损失；此外，它还会受到垂直位移事件（VDE）的影响。等离子体垂直移动，撞击真空室（反应室）的上壁和下壁。

这时，不仅等离子体禁闭状态会被破坏，数千万甚至上亿度的等离子体也会接触到托卡马克的内壁，比如法国原子能公司建造的托卡马克 de Fontenay-aux能源委员会（CEA）研究中心。 ——玫瑰（TFR）实验反应堆内的等离子体失控时，直接将内壁烧出一个大洞，差点报废！

而且托卡马​​克实验堆发生此类事故的概率非常高，比例在百分之几左右。这个比例简直就是致命的。幸运的是，目前的技术可以对其进行控制，尽可能避免损坏，或者在发生VDE事件时减少对内壁的损坏。损坏程度。

从 EAST 到 CFETR

这是中国科学院等离子体物理研究所在中国安徽省省会合肥建设的世界上第一个全超导磁体托卡马克核聚变反应实验装置。是国际上稳态磁约束聚变研究的重要实验平台。其研究成果将为未来国际热核实验堆（ITER）提供工程技术支撑：

2017年，中国聚变工程实验堆（CFETR）正式启动工程设计。这是我国下一代超导聚变反应堆。看来中国托卡马克技术的进展可以达到核聚变反应堆的水平。这一进展已经完成。处于全球领先地位。

另一种核聚变途径是惯性约束

惯性约束技术的原理比磁约束更容易理解。这项技术是将氘和氚燃料制成小球，然后在激光轰击下达到极高的温度状态，从而引起聚变。目前比较有名的是美国的NIF。 （国家点火设施），由劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发。

2013年7月的NIF实验中，192束激光束成功融合成单个脉冲，照射在氘氚燃料靶上，产生1.8兆焦耳的能量，峰值功率达500万亿瓦。在这个实验中，反应释放的能量超过了激光的能量，这意味着Q大于1，但这还远远不够。

我国也有涉及惯性约束核聚变技术的神光系列研究。我国在固体激光技术方面比美国先进。不过，美国在惯性约束的研究上仍然投入较多。与磁约束相比，惯性约束同样困难。其中存在很多问题，比如如何让燃料以更高的比例吸收激光能量。

然而，惯性约束核聚变的另一个问题是如何提取聚变能。不过，惯性约束有一个天然的优势，那就是可以作为核聚变推进发动机，比磁约束核聚变作为推进发动机要简单。

参考：