在能源轉型的關鍵節點,核能發展路徑的探索成為全球焦點。傳統核裂變技術受制于鈾資源利用率低、核廢料處理難等問題,而純聚變技術因實現條件極為嚴苛,商業化進程仍面臨重重障礙。在此背景下,一種融合聚變與裂變優勢的混合技術路線逐漸進入公眾視野,其中以“Z箍縮”驅動的聚變—裂變混合堆(Z—FFR)方案備受關注。
中國工程院院士彭先覺在深圳舉辦的一場學術活動中,系統闡述了Z—FFR的技術原理與戰略價值。他指出,核能釋放主要通過輕核聚變與重核裂變兩種途徑實現。聚變需將燃料加熱至數億度高溫形成等離子體,以克服原子核間的靜電斥力。盡管海水中氘儲量豐富,但單純依賴氘-氘聚變實現能量凈輸出難度極大,其能量消耗可能遠超產出。相比之下,聚變與裂變的結合能夠突破單一技術的物理與工程瓶頸,形成更高效的能源系統。
Z—FFR方案的核心在于利用Z箍縮裝置產生強大電流脈沖,引發氘氚靶丸的慣性約束聚變,釋放高能中子。這些中子被包層中的裂變材料(如貧化鈾、釷或乏燃料)吸收后觸發裂變反應,實現能量輸出的倍增。裂變過程產生的能量可維持系統運行并生產氚燃料,形成自持循環。彭先覺強調,這種設計通過聚變中子源的精確控制與裂變能量放大的協同作用,既解決了聚變增益不足的問題,又緩解了裂變電站的安全性與核廢料處理難題。
安全性是Z—FFR系統設計的首要原則。該方案將涉核設施全部置于地下,與地面環境物理隔離。裂變包層采用“深次臨界”設計,僅依賴外部聚變中子維持反應,中子流中斷即刻終止裂變,從根本上杜絕超臨界事故風險。針對停堆后的余熱問題,系統配置了非能動余熱排出裝置,無需外部電源即可長期穩定運行。聚變部分的氚操作量僅為傳統托卡馬克裝置的十分之一,且處于負壓環境,泄漏風險顯著降低。彭先覺稱其為“目前最接近絕對安全的核能系統”。
在經濟性與資源利用方面,Z—FFR展現出顯著優勢。據測算,百萬千瓦級示范電站造價約200億元,運營成本每年約10億元,年發電量可達100億度,電價有望降至每度0.1元左右。該系統對核燃料的兼容性極強,可直接利用現有熱中子堆產生的乏燃料,同時開發貧化鈾與釷資源。彭先覺指出,若中國部署200個熱中子堆,將產生200萬噸鈾資源可供Z—FFR使用,這不僅能緩解鈾短缺壓力,還可大幅減少核廢料體積與處置難度。
Z—FFR的電網適應性同樣突出。其輸出功率可通過調節聚變“爆炸”頻率實現快速響應,有效平抑風電、光伏等可再生能源的功率波動。該系統既可作為基荷能源支撐電網穩定運行,又能通過熱電聯供、海水淡化、高溫制氫等方式拓展應用場景。彭先覺將其描述為“智慧能源系統的關鍵組件”,認為其模塊化設計便于分布式部署,有望加速能源結構轉型。
盡管技術路線清晰,Z—FFR的產業化仍需突破多重挑戰。彭先覺團隊于2021年在四川成立天府創新能源研究院,并組建產業化公司推進技術研發。根據規劃,2029年前后將建成50MA國家大科學裝置進行關鍵實驗驗證,2032年左右完成實驗供熱堆建設,全面測試聚變中子與包層相互作用、靶丸制備等工藝流程。該實驗堆的中子源強度將達國際同類裝置的千倍以上,每年可生產約1公斤氚,為聚變燃料自持提供保障。
產業鏈構建是Z—FFR商業化的核心任務。彭先覺透露,驅動器所需的電容器、開關等部件壽命需從數十萬次提升至千萬次級;靶丸制造需滿足每10秒生產一枚的節奏,成本控制在數百元以內;裂變燃料處理則計劃采用干法工藝以減少環境污染。他強調,產業化風險不在于單一技術瓶頸,而在于能否整合資源并行推進全系統研發。“需通過國家投入與市場機制結合,全面布局驅動器、靶丸、燃料、建造等環節。”彭先覺說。
在學術交流環節,彭先覺回應了關于供應鏈、AI技術與國際競爭的提問。他指出,中國在Z箍縮混合堆領域已形成完整技術路線與研發團隊,具備從物理研究到工程設計的綜合優勢,但關鍵部件供應鏈仍需從零構建,需國家戰略支持與資本協同。對于AI技術,他認為其可加速數據分析與實驗優化,但難以直接解決聚變物理難題,不過AI計算對電力的巨大需求將反向推動能源技術革新。在中美核聚變研發對比中,彭先覺認為美國在磁約束與慣性約束聚變工程領域起步較早,但在Z箍縮能源系統物理設計與混合堆概念結合方面探索有限,而中國正通過整合核物理、等離子體物理與工程力量加速推進這一潛力技術路線。











