聚变中子源驱动的次临界核能系统.docx
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聚变中子源驱动的次临界核能系统
聚变中子源驱动的次临界核能系统
──聚变能技术的早期应用途径
摘要提出作为聚变能技术早期应用途径的聚变中子源驱动的清洁核能系统概念，并从国家的能源需求、国内外核电发展状况论述开发这种系统的必要性和意义，根据国内外聚变驱动器技术及次临界包层技术进展和国内多年的可行性研究结果说明开发这种系统的现实性和基础。
文中也给出了建议的发展进程。
关键词清洁，核能，次临界，聚变，中子源，包层
学科分类号TL原子能技术
能源是发展国民经济的动力,是提高人民生活的物质基础,随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,能源预测研究表明：
在下世纪纯聚变能商业应用之前，中国将存在严重的能源短缺，而且也人们将会越来越认识到能源结构的不合理性。
裂变核能的大规模发展将是一个不可缺少的阶段，但由此引起的核资源短缺、放射性核废料处理及核扩散等问题必须解决。
本文在国家“863”计划项目、国家自然科学基金项目和中国科学院基金项目等支持的研究工作的基础上建议发展聚变中子源驱动的次临界清洁核能系统以满足我国大规模发展裂变核能的需要，同时也作为推动永久清洁能源──纯聚变能商用化技术发展的重要台阶。
文中首先对建议的次临界清洁核能系统作简要介绍，然后于第3节简单陈述发展这种系统的的必要性和重要意义，并举例说明其潜在应用，于第4节分别说明聚变中子源驱动器技术和次临界包层技术基础。
第5节给出建议的发展进程和首先研究的关键技术。
第6节是本文的基本结论。
1什么是次临界清洁核能系统
通常的裂变核反应堆靠自持链式裂变反应维持在临界状态下运行，这样一方面尽管反应堆可以设计得非常安全，但还是存在着发生超临界事故的潜在危险性；另一方面，为维持临界状态，对核燃料的中子吸收（或增殖）性能要求很严格，因而核燃料的燃耗不可能很深，而且对堆内材料成份要求也很严。
次临界核能系统由于靠外中子源驱动而运行在次临界状态下，次临界度可设计得很深，无发生超临界事故的可能，而且可在系统中加入中子吸收材料来利用过剩的中子，如用于嬗变处理长寿命核废料、生产核燃料、生产氚及材料辐照实验等。
原则上，这种次临界核能系统可由聚变中子源、高能质子散裂中子源或特别设计的裂变中子源来驱动。
关于对不同驱动中子源的比较，国内外有许多学者作过研究[1-7],这里不做介绍。
在国家“863”计划、国家自然科学基金和中国科学院基金等支持下中科院等离子体物理研究所及国内有关单位对这种系统的不同方面做过深入研究，本文在此基础上建议发展一种安全、有效而且现实的聚变中子源驱动的次临界清洁核能系统。
这里建议的聚变中子源驱动的次临界清洁核能系统是根据聚变反应是富中子、贫能量（14MeV/次），而裂变反应恰好是贫中子、富能量（200MeV/次）的特点，利用外源中子进入到一个叫包层的次临界系统，在研究各种核材料（核燃料/结构材料/冷却剂/中子增殖剂/氚增殖剂等）的中子学性能和其他技术性能的基础上，优化安排包层,利用天然铀和钍作燃料,实现下列四项功能：
（1）生产核燃料，供给裂变核电站用；
（2）处理核废料，“燃烧”裂变核电站乏燃料中的高放核废料；
（3）增殖能量，以供热和发电；
（4）生产氚,一方面维持聚变驱动器堆芯聚变反应所需的氚，另一方面如有必要也可也可用在军用及民用的其他方面（氚的自然半衰期为12年）。
这种系统系统其实就是一种多功能的聚变裂变混合反应堆，它对等离子体聚变驱动器的参数水平要求远比纯聚变电站对其等离子体堆芯要求低，接近现在托卡马克聚变实验装置己达到的参数水平。
2发展清洁核能系统的必要性和意义
现时中国能源消耗的特点是人均消费水平低，产值能耗高，且以煤为主。
根据实现社会主义现代化经济建设分三步走的战目标，到2050按人均国产总值达4000美元计，届时我国人口达15亿，电力需求相当于每年40亿吨左右标准煤，且应大大减少煤电占总电力的比例。
这时、除了应积极开发太阳能、凤能、潮汐能及生物能等再生能源外，核能是公认的唯一现实的可大规模替代常规能源的既干净又经济的现代能源。
一座百千瓦核裂变电站每年约可代替300万吨标准煤，并每年可减少约1千万吨二氧化碳、20万吨二氧化硫和3万吨二氧化氮的气体排放量。
如若建设3亿千瓦（占预测2050年总电力需求的25%）的核裂变电站每年约可替代10亿吨标准煤，而且不会有二氧化碳造成的温室效应及二氧化硫和氮化物对大气的污染。
根据IAEA截止到1994年的统计，世界上已有30多个国家和地区建成了437座核电，装机容量为3.6亿千瓦，核电约占总发电量的23.2％,其中法国是75.3％、比利时35.8％、韩国35.5％、日本30.7％、德国29.3％、英国25.8％、美国22.0％、俄罗斯11.4％，而中国大陆目前核电仅占总发电量的1％左右。
由次可见，核电在中国应该是可以大有可为的。
为了填补我国21世纪中能源的缺口，对核能发展规模要求是十分巨大。
到2050年，设想分别以我国核电占总电力生产10％、20％和30％，作为核电发展的低、中、高三个目标，其发展规模见表1：
表1预测的2050年核能规模和占总电力的比例
Table1Predictedfractionandcapacityofnuclearenergysupplyin2050inChina
方案
scenario
核电占总
电力比例（%）
fractionA
核电发展
规模（GW）
capacity
占一次
能源比例（%）
fractionB
备注
（总规模水平）
approximatescale
低方案（I）
中方案（II）
高方案（III）
10
20
30
120
240
360
6
12
18
接近目前法国核电两倍
doublenuclearelectricityinFrance
相当目前美法苏三国核电之和
sumofnuclearelectricityinUS,FranceandRF
超过目前全世界核电总和
sumofnuclearelectricityintheworld
FractionA:
fractionofnuclearelectricityintotalelectricitysupply.
FractionB:
fractionofnuclearelectricityintotalprimaryenergysupply.
从以上预测可以看出，一方面由于我国是一个人口大国，对未来能源需求量十分巨大，即使裂变核电发展达到高目标，其在一次能源中的比例也只有18％左右，仅能起到重要补充的作用。
另一方面，从绝对数量看，我国未来核电发展规模将是空前巨大的，其高目标将超过目前全世界核电总和（全世界目前运行480多座核电站，净电功率约为310GW）。
而要如此大规模发展裂变核电，下列四个方面问题是要首先解决的问题:
（1）提高固有安全性;
（2）增殖核燃料;
（3）处理长寿命核废料;
（4）防止核扩散。
同时我们注意到：
氘氚聚变反应可释放大量聚变能，一升海水中的氘通过聚变反应可释放出的能量相当300多升汽油燃烧放出的能量，反应产物几乎是无放射性的。
因此，以开发聚变能为目标的受控热核聚变将为人类提供最理想的清洁能源。
开发聚变能的科学可行性经过近50余年的艰难历程，己得到证实，并取得了突破性进展，但纯聚变能要成为商业能源还须要付出相当的努力。
然而，前述建议的聚变中子源驱动的次临界清洁核能系统作为聚变能技术早期应用途径则具有下列优势:
（1）可解决上述在聚变能商用化以前大规模发展核裂变能四个重要问题；
（2）这种系统由于是次临界的,因而无临界安全问题,而且可做到深燃耗和高效率；
（3）也是推动永久清洁能源—纯聚变能发展的重要台阶；
（4）即便在聚变商用化以后，这种技术也可以继续为处理裂变电站积累的高放核废料及军用过剩钚作贡献。
纵观国际上核电发展的经验、现状和趋势，如果有了这种混合系统的加盟，则情况就不一样。
研究表明[8,9]：
大体说来，1GW电功率的混合堆（HYB），可同时解决10GW电功率的压水堆（PWR）电站的核燃料供应和核废料嬗变处理。
所以如图1所示，混合堆如果和各种热中子堆（PWR，APWR）及快中子堆（FBR）组成共生体系，就有可能在2050年使中国核电规模达到400-700GW[10].由此可见，混合堆如能得到发展，完全有可能解决聚变商用化以前的能源短缺问题。
图1中国核能体系可能的发展规模
Fig.1Predictedmaximumcapacityofnuclearenergyupto2050inChina
3发展清洁核能系统的现实性和基础
3.1聚变-裂变混合堆在国际上的发展历史和状况
聚变-裂变混合系统（混合堆）不是一个新概念，早在50年代初就有人提出过，而认真研究是70年代各自在美、苏进行，自1976年起他们开始举行联合讨论会[11]，当时这种研究的目的就是生产高纯度钚（Pu）和处理核废料。
美国在80年代曾研究过利用混合堆生产现存大量核武器所需补充的氚[12]，因为氚的自然半衰期是12.3年,它会随时间不断减少。
所以聚变-裂变混合堆的应用在初期是与军备相联系（生产原子弹和氢弹燃料:
钚和氚），而在80年代后期美苏出自核不扩散的考虑，提出仃止研究聚变-裂变混合堆,要求只研究纯聚变堆。
而纯聚变堆研究是较长期的工作，尤其是在美、日、欧、俄四方合作进行了近十年的ITER（国际热核聚变堆）概念设计（CDA）及ITER工程设计（EDA）研究之后，大家认识到尽管托卡马克可以获得早期应用,但商用化还要在聚变的科学研究及工程发展上做很多努力，才能使聚变能成为永久的、经济的洁净能源。
所以美国在1998年又重新重视聚变-裂变混合堆研究把聚变中子源作为聚变能的近期利用，它是美国发展聚变能战略的一个组成部分。
聚变中子源研究包括的范围是:
燃烧核废料、生产核燃料、产氚及材料辐照研究等[13]。
美国著名的聚变堆研究组ARIESTeam及波音公司1997年发表的关于聚变潜在应用的综合评价研究报告[14]认为聚变最有吸引力的早期应用是处理高放核废料。
前苏联也一直重视发展混合堆，在很长一段时间内关于ITER（InternationalThermonuclearExperimentalReactor）与混合堆的研究工作在并行进行。
日本目前也正在开展聚变中子源驱动的废物嬗变堆的设计研究。
3.2聚变-裂变混合混合堆在中国的发展历史和状况
中国的聚变-裂变混合堆研究始于1980年，大体可分以下几个阶段：
（1）1980－1985年，初始物理概念研究阶段：
主要是在中科院等离子体物理研究所（ASIPP）及核工业西南物理研究院（SWIP）进行概念设计研究。
（2）1986－1990年，实施“863”计划第一阶段：
确定我国能源发展战略及聚变-裂变混合堆在其中的战略地位及进行概念设计,并开展了下列R&D工作：
堆芯等离子体物理实验、积分中子学实验、氚工艺和混合堆材料研究等。
（3）1991－2000年，实施“863”计划第二阶段：
在借鉴ITEREDA经验的同时，ASIPP与SWIP进行联合设计，完成了实验混合堆的详细概念设计[8]。
这样既完善了设计研究工具，积累了技术，而且又锻炼了队伍，培养了人才。
（4）同时，自1990年以来中科院等离子体物理研究所和国内其他研究单位就开始了利用聚变中子处理裂变电站中高放射性核废物的研究和与之相关的次临界洁净核能系统研究,取得了显著的成绩，引起了国际同行的关注，并在国际上已占有了重要的一席之地。
主要进展包括：
提出利用Pu作为中子倍增剂的创新包层概念，从而有可能使长寿命裂变产物与锕系元素在这种混合堆中得到有效嬗变，对各种包层概念和驱动器新概念也进行了研究。
近期中科院等离子体物理研究所的研究又进一步研究了基于已有实验装置JET（欧州）和TFTR（美国）已达到的中子流强水平在长脉冲或连续运行情况下处理裂变电站所产生的长寿命锕系元素的可行性[10,16-23]。
当然，要最终实现它，还有许多工程技术问题需要研究和发展。
3.3聚变驱动器及包层的技术基础
开发聚变能的科学可行性经过50余年的艰难历程，科学可行性己得到证实，并取得了突破性进展，如：
（1）聚变燃料已可被加热到2-4亿度的高温。
在日本最大的托卡马克JT-60U上表征聚变反应率的最重要参数，温度×密度×能量约束时间（即“聚变三重积”）已达到1.5×1021keV·m-3·S。
这一重要参数在过去20年内已提高了10000倍，目前离纯聚变堆的要求仅仅还差约20倍。
（2）在美国最大的托卡马克TFTR和欧洲的JET上，峰值聚变输出功率已分别达到10.7MW和16.1MW，此强度中子源如产生脉冲能拉长或连续产生，已有一定实用价值。
与此同时，观测到了相当可观的α粒子加热效应。
靠α粒子加热聚变堆才能自持燃烧。
（3）表征聚变输出功率（获得）和输入功率（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值已超过1，达到1.25。
另外，受控核聚变研究的进展还包括：
利用超导磁体和非感应电流驱动技术可维持稳态的等离子体;对破坏等离子体稳态约束的宏观不稳定性已取得较清楚的认识，并正在发展控制不稳定性的方法;在短时间内（秒级）实现了良好的等离子体约束（如H模、VH模等）。
正是由于上述重要进展，磁约束聚变研究已进入了一个转折点：
从过去的科学可行性的探索转变成针对商用聚变堆的研究和技术发展。
20多年前，托卡马克还未取得上述突破性的进展，但根据已建成的近百个大小不等托卡马克装置上总结出的实验定标律外推，美国、前苏联、日本和欧洲决定联合进行ITER研究计划。
ITER是一个可自持燃烧（即“点火”）的托卡马克聚变实验堆，其聚变输出功率可达1500MW。
由于有了ITER计划，国际聚变研究的重点便自然集中到建造点火堆上。
经过20多年的努力，现在不仅完成了ITER的物理和全部工程设计，而且还成功完成了许多关键部件的预研，再考虑到实验上取得的一系列突破性进展，国际聚变界主流看法是：
成功建造并运行ITER的物理和工程技术基础均已具备。
建成ITER将使国际聚变界能够深入进行燃烧等离子体及相关工程技术的研究，这一研究将为商业聚变堆奠定基础，因此意义十分重大。
但是，建造ITER需要100亿美元。
巨大的经费和复杂的选址问题引发了许多争论。
尽管以上提到了一系列重要进展，关于何时能建造经济实用的聚变堆，目前国际上并没有定论。
聚变堆的实用时间取决于聚变实验堆的结果及人类社会在能源与环境保护之间的平衡取舍。
考虑到中国国情及国际聚变研究的进展，中国更为现实的发展路径是首先建造聚变-裂变混合堆。
混合堆所要求的堆芯物理参数远低于纯聚变堆。
在国外取得进展的同时，国内聚变堆芯等离子体物理实验取得了很好的进展,如有两个中型托卡马克装置（超导托卡马克HT-7和环流器新一号HL-1M）正分别在中国科学院等离子体物理所和核工业西南物理研究所运行,有一个大型超导托卡马克HT-7U正在中国科学院等离子体物理所建造之中,大型托卡马克环流器二号HL-2也已在建造之中。
这些进展将有可能使我国聚变研究进入世界前沿水平。
为我国聚变能的早期应用即建造聚变驱动次临界洁净核能系统提供驱动器技术基础。
包层工艺技术的发展可在采用现有裂变堆的技术（压水堆、高温气冷堆和快堆技术）,如元件制造、冷却工艺等的基础上进行。
氚工艺则可在现有国防技术的基础上发展。
经过“863”计划十余年的发展，我国在关键的包层技术方面取得了可喜的成绩，建立了很好的基础，如中国工程物理研究院已完成了部分模拟聚变（混合）堆包层和屏蔽系统的积分中子学实验和建立了在线氚工艺实验回路。
总之，在国际上经过50余年开发聚变能的艰难历程和在中国经过“863”计划十余年的研究，聚变－裂变混合堆作为一种次临界系统已经证实它的科学可行性和技术现实性，可以成为聚变早期应用的重要途径。
4.建议的发展进程
为了填补我国21世纪中叶能源的缺口，对核能发展规模要求是十分巨大。
这样混合堆投入运行的时间应不晚于2030年，所以应在2010年左右开始建造实验堆，2020年左右开始建造商用示范堆。
建议在“863”计划完成的基础上，再用十年左右的准备，为在2010年左右开始在中国建造聚变驱动的次临界装置或用其他中子源驱动的次临界装置建立技术基础。
这十年重点解决关键的科学技术基础问题并可开展关键部件的研制和全面的技术发展，如稳态、高效聚变驱动器物理基础研究、高性能深燃耗次临界包层技术发展、大型综合模拟计算程序和专用核数据库的研制、验证次临界系统物理性能包层模拟与积分中子学试验、氚工艺实验研究和适用次临界系统应用的关键材料性能试验等,并应积极探索研究各种次临界系统新概念的可行性和特点及对各种驱动器概念进行比较研究。
5.结论
（1）聚变中子源驱动的次临界混合核能系统可作为聚变能的早期应用途径，其发展有现实的技术基础；
（2）聚变中子源驱动的次临界混合核能系统作为一种次临界装置具有很好的安全性；
（3）聚变中子源驱动的次临界混合核能系统可以解决裂变核能发展所带来的问题（燃料短缺、废产生核废料、核扩散等），解决纯聚变能商用化以前能源短缺问题，成为一代过渡能源，从而为我国下世纪上半叶国民经济发展和人民生活水平提高提供清洁能源；
（4）聚变中子源驱动的次临界混合核能系统是纯聚变能发展的中间环节，可推动纯聚变能的发展，可保持技术发展的可持续性；
（5）聚变中子源驱动的次临界混合核能系统在聚变能商用化后，仍可继续为处理裂变核能发展所遗留的长寿命放射性核废料作贡献。
参考文献:
[1]I.Slessares,M.Slalvatores,GLOBL95,p.482-488（1995）.
[2]LiShounan,ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering,1998,18
（1）:
80-93（inChinese）.
[3]LiShounan,ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering,1998,18（3）:
193-200（inChinese）.
[4]LiShounan,ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering,1998,18（4）:
289-296（inChinese）.
[5]LiShounan,ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering,1998,19
（1）:
1-7（inChinese）.
[6]LiChenan,WuJun,HighTechnology,1997,7（10）（inChinese）.
[7]LiChenan,WuJun,HighTechnology,1998,8
（2）:
51-54（inChinese）.
[8]ASIPPandSWIPjointreport,"DetailedConceptualDesignofChinaFusionExperimentalBreeder（FEB）"（1996）.
[9]WuYican,ChenYixue,HighTechnology,1999,4（10）:
55-58（inChinese）.
[10]QiuLijian,XiaChengang,HuangQunying,ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering,1990,10（4）:
330-335（inChinese）.
[11]"Fusion-FissionHybridReactorSeminarbetweenUSSRandUSA",Moscow（1999）.
[12]"OutlookfortheFusionHybridandTritium-BreedingFusionReactor",aReportPreparedbytheCommitteeonFusionHybridReactors,EnergyEngineeringBoard,CommissiononEngineeringandTechnicalSystems,NationalResearchCouncil（1987）
[13]FarrokhNajmabadi,paperpresentedatJapan/USWorkshoponFusionPowerPlants&RelatedTechnologieswithparticipationofChina,Russia,andEU,March,1999,KyotoUniversity
[14]L.M.WaganerandtheARIESTeam,theBoeingCompany,paperpresentedatthe17thIEEENPSSSymposiumonFusionEngineering.SanDiego,California,Oct.1997.
[15]LijianQiu,YicanWu,QiangXuetal.,paperpresentedatthe14thIAEAInternationalConferenceonPlasmaPhysicsandControlledNuclearFusionResearchinWuerzburg,Germany,Sep.26-Oct.7,1992
[16]L.J.Qiu,Y.W.Yang,Y.C.Wuet.al.,paperpresentedatthe15thIAEAInternationalConferenceonPlasmaPhysicsandControlledNuclearFusionResearchinSeville,Spain,Sept.30-Oct.1,1994
[17]L.J.QIU,Z.J.Guo,B.J.Xiaoet.al.,paperpresentedatthe16thIAEAInternationalConferenceonFusionEnergy,Montreal,Canada,Oct.7-11,1996
[18]L.J.Qiu,Y.C.Wu,B.J.Xiaoet.al,paperpresentedatthe17thIAEAInternationalConferenceonFusionEnergy,Kohayama,Oct.1998.
[19]YicanWuetal.,paperpresentedatJapan-USWorkshoponFusionPowerPlantsandRelatedAdvancedTechnologies,1999,Kyoto,Japan,March24-261999.
[20]Y.C.Wu,L.J.Qiu,Y.X.
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