磁约束与Z箍缩双管齐下，中国聚变能源瞄准2040
磁约束与Z箍缩双管齐下，中国聚变能源瞄准2040
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。
聚变能源研究的主要进展与挑战
聚变能源开发是未来能源发展的重要方向，具有清洁、高效、可持续的特点。近年来，聚变能源研究取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。
能量平衡问题：尽管ITER计划的目标是在工程上实现能量得失相当（Q≥10），但目前尚未实现这一目标。能量平衡是聚变反应堆持续运行的基础，需要进一步研究和优化等离子体约束和加热技术。
氚自持问题：聚变反应需要氚作为燃料，而氚在自然界中含量极低。目前，ITER计划中的氚自持技术尚未得到充分验证，需要进一步研究氚增殖材料和氚回收系统。
高可利用率问题：聚变反应堆的可利用率是衡量其商业可行性的关键指标。目前，磁约束聚变装置的可利用率较低，需要开发更先进的等离子体控制和维护技术。
耐辐照材料开发：聚变反应产生的高能中子会对材料造成严重辐照损伤。目前，耐辐照材料的开发进展缓慢，需要加强材料科学研究。
经济性问题：聚变能源的使用成本目前仍然较高，需要通过技术创新和规模效应来降低建设和运营成本。
国际热核聚变实验堆（ITER）计划的进展
ITER计划是目前全球最大的聚变能源研究项目，旨在验证聚变能源的科学可行性和工程可行性。ITER计划的共性基础技术突破包括：
高温超导磁体技术：ITER计划采用了高温超导磁体技术，以实现更强的磁场约束。
等离子体控制技术：通过先进的诊断系统和控制算法，实现了对等离子体状态的精确控制。
氚处理技术：开发了氚增殖模块和氚回收系统，为实现氚自持奠定了基础。
远程维护技术：由于聚变反应堆内部的高辐射环境，远程维护技术是确保装置安全运行的关键。
中国磁约束聚变研究进展
中国在磁约束聚变研究方面取得了重要进展，主要包括：
HT-7超导托卡马克：实现了长脉冲等离子体放电，为后续研究奠定了基础。
HL-2A托卡马克：在等离子体物理和材料科学方面取得了多项重要成果。
EAST全超导托卡马克：实现了长脉冲高约束模式运行，创造了多项世界纪录。
CFETR项目：正在开展主机关键部件研发，计划建设中国自己的聚变工程实验堆。
Z箍缩聚变裂变混合堆（Z-FFR）概念
中国自主提出的Z-FFR概念是一种创新的聚变裂变混合堆方案，具有以下特点：
基本原理：利用Z箍缩装置产生高温高密度等离子体，驱动聚变反应，同时利用聚变中子引发裂变反应，实现能量放大。
应用优势：
- 能量增益高：通过聚变裂变协同效应，实现更高的能量输出。
- 燃料利用率高：可以利用贫铀等低品位核燃料，提高资源利用率。
- 安全性好：次临界运行方式避免了临界事故风险。
- 系列进展：
- 概念设计：完成了Z-FFR的整体概念设计和关键系统布局。
- 关键技术：在超高功率重复频率驱动器、靶丸制备与注入、聚变中子学等方面取得重要进展。
- 实验验证：开展了Z箍缩物理实验和材料辐照测试。
2040年商业化供能目标发展规划
为了实现2040年商业化供能目标，中国聚变能源开发将分阶段推进：
关键技术攻关阶段（2025-2030年）：重点突破聚变堆关键物理与工程技术，包括等离子体约束与加热、氚处理、耐辐照材料等。
工程演示阶段（2030-2035年）：建设聚变工程实验堆（CFETR）和Z-FFR工程演示装置，验证聚变能源的工程可行性。
商业发电推广阶段（2035-2040年）：建设示范聚变电站，开展商业运营，逐步推广聚变能源技术。
建议
为了全面推进中国聚变能源开发进程，建议：
深入参与ITER计划：加强与ITER计划的国际合作，共享研究成果和技术突破。
攻克关键技术：集中力量攻克商用聚变堆的关键物理与工程技术难题。
加快CFETR建设：推进CFETR主机关键部件研发，适时启动建设和运营工作。
推进Z-FFR项目：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。
聚变能源开发是人类能源发展的重要方向，中国在磁约束聚变和Z箍缩聚变裂变混合堆两个方向上都取得了重要进展。通过持续的技术创新和国际合作，中国有望在2040年实现聚变能源的商业化供能目标，为全球能源转型做出重要贡献。