第25卷 第4期 2010年12月 西 南 科 技 大 学 学 报 Journal of South west University of Science and Technol ogy Vol .25No .4 Dec .2010
收稿日期:2010-04-27
基金项目:教育部新世纪人才计划(NCET -06-0658)。
作者简介:彭先觉(1941—),男,中国工程院院士,主要研究方向为核物理。
Z 箍缩驱动聚变裂变混合堆
———一条有竞争力的能源技术途径
彭先觉
(中国工程物理研究院 四川绵阳 621000)
摘要:介绍了国内外Z 箍缩研究现状,探讨了利用Z 箍缩驱动核能源的新能源技术,证明Z -Pinch 驱动聚变裂变混合堆是一条非常有竞争力的能源路线。
关键词:Z 箍缩 聚变裂变混合堆 次临界能源堆
中图分类号:T L46 文献标志码:A 文章编号:1671-8755(2010)04-0001-04
Z 2p i n ch Fusi on 2f issi on Hybr i d Reactor
———The Energy Technology Road w ith Grea t Com petiti ve Power
PENG Xian 2jue
(Chinese A cade m y of Engineering Physics,M ianyang 621000,S ichuan,Ch ina )
Abstract:This paper summerized worldwide latest p r ogresses in Z 2p inch research and discussed the fact that Z 2p inch fusi on nuclear energy is a ne w energy technol ogy and p r oved Z 2p inch fusi on nuclear energy is an energy r oad with great competitive po wer .
Key words:Z 2p inch;Fusi on 2fissi on Hybrid React or;Subcritical hybrid react or f or energy p r oducti on
1 Z 箍缩概念
Z 箍缩又称Z 2Pinch,就是等离子体在轴向(Z 方向)强大电流产生的洛仑兹力作用下,在径向(R 方向)
形成的自箍缩效应。
洛仑兹力是当电流通过一根导线时,在导线的周围要产生磁场(如图1所示),由麦克斯威尔电磁方程,其磁场强度为:
×H →
=J
→
(1)
式中J →
为电流密度。
沿离导线中心r 处对式(1)进行园环积分,可得
H =
I
2
πr (2)
磁感应强度B =μH,在真空中μ=μ0,μ0=4
π×10-7N /A 2
,称真空磁导率。若导线是金属导体,电流将从导体表面很薄一层内流过,则导体内部无磁场,磁场只分布在表面一层和导体外的空间,而运动的电荷将受洛仑兹力的作用,即:
F →
=ev →
×B
→
(3)
这里,e 为电荷所带电量,v →
为电荷运动速度,B →
为磁感应强度。
由图1可见,电荷将产生沿导线径向向心的加速度,其结果是引起电荷束流的自箍缩。当电流足够强
时,这种箍缩效应将产生巨大的等离子体聚心内爆,并在轴线附近形成高温高密度区。早期的可控热核研究就试图用这种方法来实现热核反应。
2 Z 箍缩国外研究发展概况
20世纪50年代中期,科学家们探索了利用脉冲放电箍缩等离子体以实现可控热核聚变的可能性。此
后,这方面的研究工作便蓬勃开展,相应的脉冲功率技术有较大的发展,放电电流越来越大,但由于受到界面不稳定性现象的影响(香肠效应)和当时技术条件所限,未能获得较理想的结果,并在20世纪60年代中期进入低潮。然而利用磁场压缩等离子体的研究却从未停止过,其方向主要是强X 光源的产生和高能密度物理学。强X 射线光源(能谱Ke V 级)则更多地是用于X 射线与物质的相互作用和抗辐射加固问题的研究。高能密度物理则主要涉及流体动力学(包括界面不稳定性的发展)、物质状态方程及辐射不透明度等。以此为牵引,在20世纪80年代和20世纪90年代世界上建立了一批用于电磁内爆研究的大型脉冲功率装置,如美国的Saturn,P BF A II -2和前苏联的AH AP A -5-1等。
目前Z -Pinch 的研究发展为快过程和慢过程两个方向。所谓快过程,是电流脉冲宽度在几十至300纳秒范围内的过程,主要用于强X 光源的产生和应用。所谓慢过程,是电流脉冲宽度为微秒级(可达几微秒)的过程,主要用于驱动质量较重的金属套筒。
随着核禁试的到来,美国把Z -Pinch 研究列入了核武器库存管理计划(包括快过程和慢过程),特别是从1995年以后,由于负载结构从套筒变为丝阵,X 光辐射功率和产额不断取得突破,因而在全世界范围内引起了极大的重视。
1995年Sandia 实验室在Saturn 装置(I 约为7MA )上Z -Pinch X 光功率由过去长期停留在20T W 增至85T W ,X 射线总能量也达到约500KJ,这对他们是极大的鼓舞,于是决定把原来用于轻粒子束I CF 的P BF A -II 加速器改造成用于轻负载快过程Z -Pinch 研究,使负载电流达到了20MA 。1997年底获得了X 光功
率290T W 、X 光能量1.8MJ 、黑腔辐射场温度约155e V 的具有里程碑性质的最新水平,且X 光的能量转换率(电能转换成X 光能的比例)达到了15%(一般激光驱动I CF 中,电能转换成激光的比例只有1%左右)。这一成果展示了利用Z -Pinch 创造更高黑腔温度并实现I CF 的美好前景(方法是进一步增大电流)。由于在研究中发现有X 光能量产额Ex ～I 2
的定标关系,于是在1998年3月,Sandia 实验室正式向能源部提出把P BF A -II (简称Z 装置)改进成X -1装置(I ≥60MA )的设想建议。
据估算,X -1装置能在一个约5c m 3
的黑腔体积内,产生一个辐射场温度300e V,脉宽从几纳秒到几十纳秒内变化的辐射环境(按定标律估计,60MA ,X 光产额可达16MJ 左右),而这样的辐射环境将有可能实现高产额的I CF (从X 光能量和黑腔空间体积来看,这比N I F 提供的辐射环境更优越)。从经济上看,估计X -1的造价约4亿美元,这比当初N I F 的预算12亿美元(后来实际达40多亿美元)要便宜得多。
Sandia 关于Z -Pinch 计划(Sandia 2000’Bea m s )驱动器计划是:
Z
→
Z -Mod
→Z X
→X -116～20MA
28～30MA
60MA
2×60MA
快Z -Pinch 主要应用方向为:强X 射线源,高增益聚变靶研究(当前也在探索未来聚变能源的可能
性),高能密度物理,物质状态方程测量,辐射输运问题研究。
3 能源概念研究
利用Z 箍缩驱动核能源是一条有竞争力的能源技术途径。但首先需解决如下4个技术问题:(1)高产
2 西 南 科 技 大 学 学 报 第25卷
额靶的设计,实现物理目标并要尽量降低对驱动器电流的要求;(2)驱动器的研制,要做到高重频、大电流、快上升前沿;(3)爆室和换靶机构的研制;(4)研制性能优良的次临界能源堆,以降低对驱动器工程技术难度的要求。3.1 高产额靶和驱动器研制的可能性
高产额靶设计目标要求有3个:(1)要求能量较小;(2)能有效克服丝阵动能的方向性,形成准球对称压缩;(3)有较好的抗偏心(即抗压缩不对称性)能力。
我们提出一种完全新型的高产额靶设计,采用了整体点火方式,能有效地把丝阵动能变为辐射能,有很好的等熵压缩效果,并有较好的抗偏心能力。初步计算表明,60～70MA 的电流,便有可能释放出1.5GJ 以上的聚变能。
研究还表明,该设计也可用于激光驱动的靶。这种靶不怕超热电子,不需要对输入能量进行波形调制,故可使用基频光。计算表明,2MJ 的X 光,可实现点火;6MJ 的X 光,便可达到1.5GJ 以上聚变能的释放。在美国单路LT D 研制成功后,制造60MA 以上驱动器的可能性就大大增加了,剩下的关键技术主要有两个:一是高压大电流汇流时的材料问题;二是上百万个开关的工作稳定性问题。据俄罗斯科学家的研究,他们认为,。3.2 基本技术路线%聚变裂变混合堆
聚变裂变混合堆是解决目前聚变技术应用于能源的关键途径。如对磁约束,则纯聚变装置造价很高,且材料难以承受高能中子的长期辐照;如果对激光驱动I CF,需建造约数MJ 能量的高重频运行的激光器,同样有造价过高和难以长时间可靠运行的问题;对Z -Pinch 驱动I CF,驱动器中有上百万个电容器、开关,也存在长期运行可靠性问题。应用混合堆,则能够为解决技术困难提供有效帮助。3.3 一种新型聚变驱动的次临界能源堆概念
传统次临界堆技术(以前各国针对磁约束曾做过的研究)主要研究方向为:(1)生产核燃料(Pu 、Th );(2)嬗变核废料;(3)能源。主要技术途径是:利用浓缩铀、Pu (十几吨或更多,使Keff ≥0.9)的放能和中子倍增作用。缺点是与快堆相比难以显示出优越性,但技术更复杂。因此长期以来未被能源界专家普遍认同。
新型聚变裂变混合堆是聚变中子源+次临界能源堆。鉴于聚变技术的复杂性和高投入,混合能源堆要能够在未来能源中发挥作用,其次临界能源堆部分必须很好地解决以下三方面问题:1)必须能够持续地烧U -238及Th -232,解决铀釷的利用率问题,否则无法与热堆竞争;2)必须要能够以天然铀为核燃料,解决核燃料的易获得性问题,否则无法与快堆竞争;3)必须有较大的能量倍增系数(M ≥10)、更长的换料周期(5年以上)和更简便、经济的后处理方法(核燃料循环),否则无法在经济性上与快堆竞争。3.4 次临界能源堆概念研究
该研究是用较为简便的方式建立以U -238(和Th -232)为核燃料的聚变—裂变混合核能源系统,把人类能源供给时间延长至千年以上,并打破制约我国大规模发展核能源的资源瓶颈。其基本原理是以金属天然铀(或金属反应堆乏燃料)为核燃料,以轻水作冷却传热介质,充分利用U -238对中子的增殖作用和轻水优良的慢化作用,通过设计,使一个进入系统的聚变表1 次临界能源堆设计要求
Table 1D esi gn requ i re m en t of subcr iti ca l hybr i d reactor for energy producti on
核燃料天然铀乏燃料M ≥10≥15
TB R ≥1.15(适应于Toka mak 类)
TB R ≥1.05(适用于Z -Pinch 类)
注:M :混合能源堆裂变放能与聚变放能之比,即次临界能源堆的
能量放大倍数;TB R:一个进入次临界能源堆的聚变高能中子引起
的造氚数。
高能中子能引起约一次(或一次以上)裂变,并使造出的Pu 多于烧掉的U -235+Pu,同时还要使造出的氚多于所消耗的氚。
由于水冷和金属铀的采用,工程上将带来很大好
处:包层设计简单、经济,有可能采用压水堆的成熟技
术(甚至可用超临界水冷却技术),并可把换料时间延
长至数年。其设计要求见表1。
3.4.1 次临界能源堆概念模型次临界能源堆概念模型包层结构(D 字型,4π立3
第4期 彭先觉:Z 箍缩驱动聚变裂变混合堆———一条有竞争力的能源技术途径
体角全包覆)如下:
物 质P L W/U H2O U H2O U H2O U/L i/Zr H2O Zr/L i/Fe
厚度/c m 1/1121212/3/.510.5/3/15
U10%Zr合金层:密度13.5g/c m3,厚度:2c m,两边包Zr,厚度1mm。
轻水层:密度:0.6g/c m3,厚度:1c m。
L i层:吸收中子造氚层,材料为L i4Si O4,密度1.34g/c m3,L i-6丰度90%。
计算条件采用MCNP与OR I GENS燃耗程序联合计算和B6库参数。考虑了24种重核,3种裂变产物的燃耗链,几何为D字型,包层对等离子体实施全包覆,6层铀—水结构。
所有计算由北京应用物理与计算数学研究所的研究小组完成,该程序计算具有很高的置信度,对I A E A 给出的关于热中子堆和ADS的算例都符合得很好。
天然铀模型200年内keff、M、TB R的变化见表2。
从表2数据可看出:天然铀模型在140年内都有很好的核性能,可以允许有较长的换料时间(换料是由于核材料及结构材料经长时间中子辐照后性能变化所引起),并可用较简单的方法对核燃料进行处理,如简单“干法”(即把核燃料加热至1500℃左右,让裂变气体跑掉,再制成燃料部件继续使用)。这将使次临界能源堆具有非常好的经济性。
表2 天然铀模型200年内keff,M,TB R的变化
Table2Changes of keff,M,TB R i n na tura l uran i u m m odel w ith i n200years 时间(年)01050100140180200 Keff0.490.600.6550.6430.6310.6050.582
TB R1.251.271.331.251.151.030.96
M11.715.918.117.115.614.513.1
天然铀模型5年一换料,换料时加入5t贫化铀,其200年内各物理量的变化情况见表3。
从表3数据看出:系统可以很好地实现烧U-238,且到5年后M可达15以上,TB R都大于1.2,即氚循环没有问题,这可大大降低对聚变中子源强度的要求。预计次临界能源堆系统的核性能至少可保持300年以上,300年后可进行一次简单“湿法”处理,即只需清除核燃料中的裂变产物,而不必进行铀—钚分离。
表3 换料时加入5t贫化铀200年内各物理量的变化
Table3Changes of var i ous physi ca l quan titi es w ith i n200years by add i n g5t depleted uran i u m when repl ac i n g ma ter i a ls 时间(年)5102050100140180200 TB R1.261.291.311.361.361.341.271.24
M15.316.917.920.222.122.622.322.1
天然铀模型5年一换料,换料时加入5t钍,其200年内各物理量的变化情况如表4。
加钍的情况与加贫化铀的情况类似,说明系统可以很好地实现烧钍,从而可大大延长人类的供能时间。
表4 换料时加入5t钍200年内各物理量的变化
Table4Changes of var i ous physi ca l qua liti es w ith i n200years by add i n g5t thor i u m when repl ac i n g ma ter i a ls 时间(年)5102050100140180200 TB R1.241.271.281.341.351.331.251.23
M14.916.517.620.322.623.123.123.0
3.4.2 次临界能源堆模型的热工水力考虑
由于压水堆技术水压达15.5MPa,次临界堆核燃料结构将采用如下方式,即水在水管中流过。经九院二所堆工小组的计算表明,上述举例模型的传热、冷却完全没有问题,水管内水流速度在10～15m/s之内。由于水管具有很高的抗压能力,将来这种堆还有可能使用超临界水技术。
(下转第8页)
情况下,其爆速和爆压也大。当装药密度d为1.786g/c m3时,黑索今的爆速D为8.7km/s,爆压P为33.75 GPa。很明显T NCB的爆速、爆压比黑索今高,表明T NCB可能是一种优良的含能材料。
3 结论
(1)利用密度泛函理论(DFT)方法,在B3LYP/6-31G水平上,结合等键反应设计,计算得到T NCB的生成热,数据表明:通过DFT精确计算得到的T NCB的生成热为-4.593kJ/mol,从数值上初步判断T NCB比较稳定。
(2)利用Ka m let公式,对其爆轰参数进行了计算,结果表明T NCB具有较高的特性值、爆热、爆速和爆压,有可能成为新的优良含能材料,值得关注。
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(上接第4页)
4 结束语
(1)次临界能源堆Keffν1,核安全性能很好;(2)能够实现烧U-238和Th-232,并可从天然铀开始,因而可以成为千年能源,且少受资源约束。只要聚变中子源技术过关,就可大规模使用;(3)能量放大倍数M>10,甚至可达20左右,因而可大大降低对聚变技术的要求,可促进聚变能技术的尽早应用;(4)核燃料循环管理简单、经济,不需进行铀—钚分离,也不依赖铀同位素分离技术。堆同时具有嬗变功能,在核燃料循环过程中基本不向外界排放放射性物质,是清洁环保的能源系统。
总之,Z-Pinch驱动核能源是一条非常有竞争力的能源路线,希望脉冲功率技术能为这条路线的实现作出重大贡献。