聚变能源研究态势及展望

彭先觉; 高翔; 李建刚; 刘永; 邓建军; 李正宏; 周良骥; 师学明

doi:10.15302/J-SSCAE-2024.04.005

中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (4) : 190 -197. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2024.04.005

工程前沿

聚变能源研究态势及展望

彭先觉 ¹^,² ,
高翔 ³ ,
李建刚 ³ ,
刘永 ⁴ ,
邓建军 ⁵ ,
李正宏 ⁶ ,
周良骥 ⁵ ,
师学明 ²

作者信息 +

Fusion Energy Research Situation and Prospect

Xianjue Peng ¹^,² ,
Xiang Gao ³ ,
Jiangang Li ³ ,
Yong Liu ⁴ ,
Jianjun Deng ⁵ ,
Zhenghong Li ⁶ ,
Liangji Zhou ⁵ ,
Xueming Shi ²

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摘要

聚变能源开发有望重塑未来能源发展格局，正处于突破工程能量“得失相当”的关键阶段，机遇与挑战并存。本文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。

Abstract

It is expected that fusion energy development, which is at a critical stage of breaking through energy break-even in the engineering sense, has the potential to reshape the future pattern of energy development with both opportunities and challenges. This study reviews the main progress of fusion energy research and summarizes the major challenges regarding energy balance, tritium self-sustainability, high availability, development of irradiation-resistant materials, and economical efficiency in general sense. On the basis of sorting out the common basic technology breakthroughs of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) program and the supporting research activities of its member states, the study summarizes the progress of China's magnetic confinement fusion research in terms of overall planning, self-developed projects, and technical tracking. Furthermore, focusing on the Z-pinch-driven fusion-fission hybrid reactor (Z-FFR) concept, which is independently proposed by China, this study elaborates on the basic principles, application advantages, and series of progresses, and proposes a development plan toward commercial energy supply by 2040, covering the task objectives in the stages of key technology campaign, engineering demonstration, and promotion of commercial power generation. To comprehensively promote China's fusion energy development, several suggestions are given. In the magnetic confinement fusion area, it is suggest that China deeply participate in the ITER program and relevant international cooperation, overcome key physics and engineering technologies of commercial fusion reactors, promote the research and development of key components of China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) device, and construct and operate CFETR in due course. In the Z-FFR area, it is of first priority to start the construction of electromagnetic-driven large-scale scientific devices the soonest possible, develop key technologies for fusion energy, and promote both engineering demonstrations and commercial projects in proper time.

关键词

聚变能源 / 磁约束聚变 / 中国聚变工程实验堆 / Z箍缩聚变裂变混合堆 / 商业化供能

Key words

fusion energy / magnetic confinement fusion / China Fusion Engineering Test Reactor / Z-pinch-driven fusion-fission hybrid reactor / commercial energy supply

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彭先觉,高翔,李建刚,刘永,邓建军,李正宏,周良骥,师学明. 聚变能源研究态势及展望[J]. 中国工程科学, 2024, 26(4): 190-197 DOI:10.15302/J-SSCAE-2024.04.005

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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^[1]。2023年，世界查明可开采铀资源为7.92×10⁶ t^[2]，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%^[3]；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%）^[4]。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。

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Q _Eng=1所需的Q _Sci值存在一定区别。对于磁约束聚变，实现Q _Eng=1的目标需要Q _Sci=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Q _Eng=1的目标需要Q _Sci=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Q _Eng=1的目标需要Q _Sci=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Q _Eng=5，这是具备商业开发可行性的门槛。对于Z-FFR，要求M · f · Q _Eng=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Q _Sci=1向Q _Eng=1迈进，相较商业应用（Q _Eng=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^[5]，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^[6]，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^[7]，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）^[8]（目前退役）、中国环流器二号（HL-2A）^[9]、东方超环（EAST）^[10]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^[11~13]，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^[14,15]），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^[11,12]：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^[5,16]。

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）^[17]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^[18,19]。

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^[20,21]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Q _Eng=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%^[22]。2012年，俄罗斯也启动了聚变点火计划^[23]，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、Q _Eng>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，Q _Sci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，Q _Sci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。

利益冲突声明

本文作者在此声明彼此之间不存在任何利益冲突或财务冲突。

Received date: March 11, 2024; Revised date: May 29, 2024

Corresponding author: Shi Xueming is an associate research fellow from Institute of Applied Physics and Computational Mathematics. His major research field is advanced nuclear energy system. E-mail: sxm_shi@qq.com

Funding project: Chinese Academy of Engineering project “Strategic Research on Strengthening the Energy Sector of China” (2022-PP-03)

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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Received	Accepted	Published
2024-03-11
Issue Date
2024-09-11

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