聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界核能系統(tǒng)

PAGE1PAGE3____________________________________________________________________________________________獲國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(19385004和19985004)、國(guó)家"863"計(jì)劃項(xiàng)目(863-614-03-02)和科學(xué)院重點(diǎn)基金項(xiàng)目的資助聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界核能系統(tǒng)──聚變能技術(shù)的早期應(yīng)用途徑摘要提出作為聚變能技術(shù)早期應(yīng)用途徑的聚變中子源驅(qū)動(dòng)的清潔核能系統(tǒng)概念，并從國(guó)家的能源需求、國(guó)內(nèi)外核電發(fā)展?fàn)顩r論述開發(fā)這種系統(tǒng)的必要性和意義，根據(jù)國(guó)內(nèi)外聚變驅(qū)動(dòng)器技術(shù)及次臨界包層技術(shù)進(jìn)展和國(guó)內(nèi)多年的可行性研究結(jié)果說明開發(fā)這種系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)性和基礎(chǔ)。文中也給出了建議的發(fā)展進(jìn)程。關(guān)鍵詞清潔，核能，次臨界，聚變，中子源，包層學(xué)科分類號(hào)TL原子能技術(shù)能源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的動(dòng)力,是提高人民生活的物質(zhì)基礎(chǔ),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,能源預(yù)測(cè)研究表明：在下世紀(jì)純聚變能商業(yè)應(yīng)用之前，中國(guó)將存在嚴(yán)重的能源短缺，而且也人們將會(huì)越來越認(rèn)識(shí)到能源結(jié)構(gòu)的不合理性。裂變核能的大規(guī)模發(fā)展將是一個(gè)不可缺少的階段，但由此引起的核資源短缺、放射性核廢料處理及核擴(kuò)散等問題必須解決。本文在國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院基金項(xiàng)目等支持的研究工作的基礎(chǔ)上建議發(fā)展聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界清潔核能系統(tǒng)以滿足我國(guó)大規(guī)模發(fā)展裂變核能的需要，同時(shí)也作為推動(dòng)永久清潔能源──純聚變能商用化技術(shù)發(fā)展的重要臺(tái)階。文中首先對(duì)建議的次臨界清潔核能系統(tǒng)作簡(jiǎn)要介紹，然后于第3節(jié)簡(jiǎn)單陳述發(fā)展這種系統(tǒng)的的必要性和重要意義，并舉例說明其潛在應(yīng)用，于第4節(jié)分別說明聚變中子源驅(qū)動(dòng)器技術(shù)和次臨界包層技術(shù)基礎(chǔ)。第5節(jié)給出建議的發(fā)展進(jìn)程和首先研究的關(guān)鍵技術(shù)。第6節(jié)是本文的基本結(jié)論。什么是次臨界清潔核能系統(tǒng)通常的裂變核反應(yīng)堆靠自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)維持在臨界狀態(tài)下運(yùn)行，這樣一方面盡管反應(yīng)堆可以設(shè)計(jì)得非常安全，但還是存在著發(fā)生超臨界事故的潛在危險(xiǎn)性；另一方面，為維持臨界狀態(tài)，對(duì)核燃料的中子吸收（或增殖）性能要求很嚴(yán)格，因而核燃料的燃耗不可能很深，而且對(duì)堆內(nèi)材料成份要求也很嚴(yán)。次臨界核能系統(tǒng)由于靠外中子源驅(qū)動(dòng)而運(yùn)行在次臨界狀態(tài)下，次臨界度可設(shè)計(jì)得很深，無發(fā)生超臨界事故的可能，而且可在系統(tǒng)中加入中子吸收材料來利用過剩的中子，如用于嬗變處理長(zhǎng)壽命核廢料、生產(chǎn)核燃料、生產(chǎn)氚及材料輻照實(shí)驗(yàn)等。原則上，這種次臨界核能系統(tǒng)可由聚變中子源、高能質(zhì)子散裂中子源或特別設(shè)計(jì)的裂變中子源來驅(qū)動(dòng)。關(guān)于對(duì)不同驅(qū)動(dòng)中子源的比較，國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者作過研究[1-7],這里不做介紹。在國(guó)家“863”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院基金等支持下中科院等離子體物理研究所及國(guó)內(nèi)有關(guān)單位對(duì)這種系統(tǒng)的不同方面做過深入研究，本文在此基礎(chǔ)上建議發(fā)展一種安全、有效而且現(xiàn)實(shí)的聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界清潔核能系統(tǒng)。這里建議的聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界清潔核能系統(tǒng)是根據(jù)聚變反應(yīng)是富中子、貧能量(14MeV/次)，而裂變反應(yīng)恰好是貧中子、富能量(200MeV/次)的特點(diǎn)，利用外源中子進(jìn)入到一個(gè)叫包層的次臨界系統(tǒng)，在研究各種核材料（核燃料/結(jié)構(gòu)材料/冷卻劑/中子增殖劑/氚增殖劑等）的中子學(xué)性能和其他技術(shù)性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化安排包層,利用天然鈾和釷作燃料,實(shí)現(xiàn)下列四項(xiàng)功能：(1)生產(chǎn)核燃料，供給裂變核電站用；(2)處理核廢料，“燃燒”裂變核電站乏燃料中的高放核廢料；(3)增殖能量，以供熱和發(fā)電；(4)生產(chǎn)氚,一方面維持聚變驅(qū)動(dòng)器堆芯聚變反應(yīng)所需的氚，另一方面如有必要也可也可用在軍用及民用的其他方面（氚的自然半衰期為12年）。這種系統(tǒng)系統(tǒng)其實(shí)就是一種多功能的聚變裂變混合反應(yīng)堆，它對(duì)等離子體聚變驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)水平要求遠(yuǎn)比純聚變電站對(duì)其等離子體堆芯要求低，接近現(xiàn)在托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置己達(dá)到的參數(shù)水平。2發(fā)展清潔核能系統(tǒng)的必要性和意義現(xiàn)時(shí)中國(guó)能源消耗的特點(diǎn)是人均消費(fèi)水平低，產(chǎn)值能耗高，且以煤為主。根據(jù)實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)分三步走的戰(zhàn)目標(biāo)，到2050按人均國(guó)產(chǎn)總值達(dá)4000美元計(jì)，屆時(shí)我國(guó)人口達(dá)15億，電力需求相當(dāng)于每年40億噸左右標(biāo)準(zhǔn)煤，且應(yīng)大大減少煤電占總電力的比例。這時(shí)、除了應(yīng)積極開發(fā)太陽能、鳳能、潮汐能及生物能等再生能源外，核能是公認(rèn)的唯一現(xiàn)實(shí)的可大規(guī)模替代常規(guī)能源的既干凈又經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代能源。一座百千瓦核裂變電站每年約可代替300萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，并每年可減少約1千萬噸二氧化碳、20萬噸二氧化硫和3萬噸二氧化氮的氣體排放量。如若建設(shè)3億千瓦(占預(yù)測(cè)2050年總電力需求的25%)的核裂變電站每年約可替代10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而且不會(huì)有二氧化碳造成的溫室效應(yīng)及二氧化硫和氮化物對(duì)大氣的污染。根據(jù)IAEA截止到1994年的統(tǒng)計(jì)，世界上已有30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)建成了437座核電，裝機(jī)容量為3.6億千瓦，核電約占總發(fā)電量的23.2％,其中法國(guó)是75.3％、比利時(shí)35.8％、韓國(guó)35.5％、日本30.7％、德國(guó)29.3％、英國(guó)25.8％、美國(guó)22.0％、俄羅斯11.4％，而中國(guó)大陸目前核電僅占總發(fā)電量的1％左右。由次可見，核電在中國(guó)應(yīng)該是可以大有可為的。為了填補(bǔ)我國(guó)21世紀(jì)中能源的缺口，對(duì)核能發(fā)展規(guī)模要求是十分巨大。到2050年，設(shè)想分別以我國(guó)核電占總電力生產(chǎn)10％、20％和30％，作為核電發(fā)展的低、中、高三個(gè)目標(biāo)，其發(fā)展規(guī)模見表1：

了利用聚變中子處理裂變電站中高放射性核廢物的研究和與之相關(guān)的次臨界潔凈核能系統(tǒng)研究,取得了顯著的成績(jī)，引起了國(guó)際同行的關(guān)注，并在國(guó)際上已占有了重要的一席之地。主要進(jìn)展包括：提出利用Pu作為中子倍增劑的創(chuàng)新包層概念，從而有可能使長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物與錒系元素在這種混合堆中得到有效嬗變，對(duì)各種包層概念和驅(qū)動(dòng)器新概念也進(jìn)行了研究。近期中科院等離子體物理研究所的研究又進(jìn)一步研究了基于已有實(shí)驗(yàn)裝置JET(歐州)和TFTR(美國(guó))已達(dá)到的中子流強(qiáng)水平在長(zhǎng)脈沖或連續(xù)運(yùn)行情況下處理裂變電站所產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命錒系元素的可行性[10,16-23]。當(dāng)然，要最終實(shí)現(xiàn)它，還有許多工程技術(shù)問題需要研究和發(fā)展。3.3聚變驅(qū)動(dòng)器及包層的技術(shù)基礎(chǔ)開發(fā)聚變能的科學(xué)可行性經(jīng)過50余年的艱難歷程，科學(xué)可行性己得到證實(shí)，并取得了突破性進(jìn)展，如：(1)聚變?nèi)剂弦芽杀患訜岬?-4億度的高溫。在日本最大的托卡馬克JT-60U上表征聚變反應(yīng)率的最重要參數(shù)，溫度×密度×能量約束時(shí)間(即“聚變?nèi)胤e”)已達(dá)到1.5×1021keV·m-3·S。這一重要參數(shù)在過去20年內(nèi)已提高了10000倍，目前離純聚變堆的要求僅僅還差約20倍。(2)在美國(guó)最大的托卡馬克TFTR和歐洲的JET上，峰值聚變輸出功率已分別達(dá)到10.7MW和16.1MW，此強(qiáng)度中子源如產(chǎn)生脈沖能拉長(zhǎng)或連續(xù)產(chǎn)生，已有一定實(shí)用價(jià)值。與此同時(shí)，觀測(cè)到了相當(dāng)可觀的α粒子加熱效應(yīng)。靠α粒子加熱聚變堆才能自持燃燒。(3)表征聚變輸出功率(獲得)和輸入功率(消耗)之比的Q值在TFTR和JET上已接近1。在日本的JT-60U上等效Q值已超過1，達(dá)到1.25。另外，受控核聚變研究的進(jìn)展還包括：利用超導(dǎo)磁體和非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)可維持穩(wěn)態(tài)的等離子體;對(duì)破壞等離子體穩(wěn)態(tài)約束的宏觀不穩(wěn)定性已取得較清楚的認(rèn)識(shí)，并正在發(fā)展控制不穩(wěn)定性的方法;在短時(shí)間內(nèi)（秒級(jí)）實(shí)現(xiàn)了良好的等離子體約束（如H模、VH模等）。正是由于上述重要進(jìn)展，磁約束聚變研究已進(jìn)入了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：從過去的科學(xué)可行性的探索轉(zhuǎn)變成針對(duì)商用聚變堆的研究和技術(shù)發(fā)展。20多年前，托卡馬克還未取得上述突破性的進(jìn)展，但根據(jù)已建成的近百個(gè)大小不等托卡馬克裝置上總結(jié)出的實(shí)驗(yàn)定標(biāo)律外推，美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本和歐洲決定聯(lián)合進(jìn)行ITER研究計(jì)劃。ITER是一個(gè)可自持燃燒(即“點(diǎn)火”)的托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)堆，其聚變輸出功率可達(dá)1500MW。由于有了ITER計(jì)劃，國(guó)際聚變研究的重點(diǎn)便自然集中到建造點(diǎn)火堆上。經(jīng)過20多年的努力，現(xiàn)在不僅完成了ITER的物理和全部工程設(shè)計(jì)，而且還成功完成了許多關(guān)鍵部件的預(yù)研，再考慮到實(shí)驗(yàn)上取得的一系列突破性進(jìn)展，國(guó)際聚變界主流看法是：成功建造并運(yùn)行ITER的物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)均已具備。建成ITER將使國(guó)際聚變界能夠深入進(jìn)行燃燒等離子體及相關(guān)工程技術(shù)的研究，這一研究將為商業(yè)聚變堆奠定基礎(chǔ)，因此意義十分重大。但是，建造ITER需要100億美元。巨大的經(jīng)費(fèi)和復(fù)雜的選址問題引發(fā)了許多爭(zhēng)論。盡管以上提到了一系列重要進(jìn)展，關(guān)于何時(shí)能建造經(jīng)濟(jì)實(shí)用的聚變堆，目前國(guó)際上并沒有定論。聚變堆的實(shí)用時(shí)間取決于聚變實(shí)驗(yàn)堆的結(jié)果及人類社會(huì)在能源與環(huán)境保護(hù)之間的平衡取舍?？紤]到中國(guó)國(guó)情及國(guó)際聚變研究的進(jìn)展，中國(guó)更為現(xiàn)實(shí)的發(fā)展路徑是首先建造聚變-裂變混合堆?；旌隙阉蟮亩研疚锢韰?shù)遠(yuǎn)低于純聚變堆。在國(guó)外取得進(jìn)展的同時(shí)，國(guó)內(nèi)聚變堆芯等離子體物理實(shí)驗(yàn)取得了很好的進(jìn)展,如有兩個(gè)中型托卡馬克裝置(超導(dǎo)托卡馬克HT-7和環(huán)流器新一號(hào)HL-1M)正分別在中國(guó)科學(xué)院等離子體物理所和核工業(yè)西南物理研究所運(yùn)行,有一個(gè)大型超導(dǎo)托卡馬克HT-7U正在中國(guó)科學(xué)院等離子體物理所建造之中,大型托卡馬克環(huán)流器二號(hào)HL-2也已在建造之中。這些進(jìn)展將有可能使我國(guó)聚變研究進(jìn)入世界前沿水平。為我國(guó)聚變能的早期應(yīng)用即建造聚變驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)器技術(shù)基礎(chǔ)。包層工藝技術(shù)的發(fā)展可在采用現(xiàn)有裂變堆的技術(shù)(壓水堆、高溫氣冷堆和快堆技術(shù)),如元件制造、冷卻工藝等的基礎(chǔ)上進(jìn)行。氚工藝則可在現(xiàn)有國(guó)防技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展。經(jīng)過“863”計(jì)劃十余年的發(fā)展，我國(guó)在關(guān)鍵的包層技術(shù)方面取得了可喜的成績(jī)，建立了很好的基礎(chǔ)，如中國(guó)工程物理研究院已完成了部分模擬聚變(混合)堆包層和屏蔽系統(tǒng)的積分中子學(xué)實(shí)驗(yàn)和建立了在線氚工藝實(shí)驗(yàn)回路?？傊?，在國(guó)際上經(jīng)過50余年開發(fā)聚變能的艱難歷程和在中國(guó)經(jīng)過“863”計(jì)劃十余年的研究，聚變－裂變混合堆作為一種次臨界系統(tǒng)已經(jīng)證實(shí)它的科學(xué)可行性和技術(shù)現(xiàn)實(shí)性，可以成為聚變?cè)缙趹?yīng)用的重要途徑。4.建議的發(fā)展進(jìn)程為了填補(bǔ)我國(guó)21世紀(jì)中葉能源的缺口，對(duì)核能發(fā)展規(guī)模要求是十分巨大。這樣混合堆投入運(yùn)行的時(shí)間應(yīng)不晚于2030年，所以應(yīng)在2010年左右開始建造實(shí)驗(yàn)堆，2020年左右開始建造商用示范堆。建議在“863”計(jì)劃完成的基礎(chǔ)上，再用十年左右的準(zhǔn)備，為在2010年左右開始在中國(guó)建造聚變驅(qū)動(dòng)的次臨界裝置或用其他中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界裝置建立技術(shù)基礎(chǔ)。這十年重點(diǎn)解決關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)問題并可開展關(guān)鍵部件的研制和全面的技術(shù)發(fā)展，如穩(wěn)態(tài)、高效聚變驅(qū)動(dòng)器物理基礎(chǔ)研究、高性能深燃耗次臨界包層技術(shù)發(fā)展、大型綜合模擬計(jì)算程序和專用核數(shù)據(jù)庫的研制、驗(yàn)證次臨界系統(tǒng)物理性能包層模擬與積分中子學(xué)試驗(yàn)、氚工藝實(shí)驗(yàn)研究和適用次臨界系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵材料性能試驗(yàn)等,并應(yīng)積極探索研究各種次臨界系統(tǒng)新概念的可行性和特點(diǎn)及對(duì)各種驅(qū)動(dòng)器概念進(jìn)行比較研究。結(jié)論(1)聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界混合核能系統(tǒng)可作為聚變能的早期應(yīng)用途徑，其發(fā)展有現(xiàn)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)；(2)聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界混合核能系統(tǒng)作為一種次臨界裝置具有很好的安全性；(3)聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界混合核能系統(tǒng)可以解決裂變核能發(fā)展所帶來的問題(燃料短缺、廢產(chǎn)生核廢料、核擴(kuò)散等)，解決純聚變能商用化以前能源短缺問題，成為一代過渡能源，從而為我國(guó)下世紀(jì)上半葉國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高提供清潔能源；(4)聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界混合核能系統(tǒng)是純聚變能發(fā)展的中間環(huán)節(jié)，可推動(dòng)純聚變能的發(fā)展，可保持技術(shù)發(fā)展的可持續(xù)性；(5)聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界混合核能系統(tǒng)在聚變能商用化后，仍可繼續(xù)為處理裂變核能發(fā)展所遺留的長(zhǎng)壽命放射性核廢料作貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn):I.Slessares,M.Slalvatores,GLOBL95,p.482-488(1995).LiShounan,ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering,1998,18(1):80-93(inChinese).LiShounan,ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering,1998,18(3):193-200(inChinese).LiShounan,ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering,1998,18(4):289-296(inChinese).LiShounan,ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering,1998,19(1):1-7(inChinese).LiChenan,WuJun,HighTechnology,1997,7(10)(inChinese).LiChenan,WuJun,HighTechnology,1998,8(2):51-54(inChinese).ASIPPandSWIPjointreport,"DetailedConceptualDesignofChinaFusionExperimentalBreeder(FEB)"(1996).WuYican,ChenYixue,HighTechnology,1999,4(10):55-58(inChinese).QiuLijian,XiaChengang,HuangQunying,ChineseJournalofNuclearSc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