聚变中子源驱动的次临界核能系统

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、 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

6、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

7、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

8、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Table 1 Predicted fraction and capacity of nuclear energy supply in 2050 in China方案scenario核电占总电力比例(%)fraction A核电发展 规模(GW) capacity占一次能源比例(%) fraction B备注（总规模水平） approximate scale低方案(I)101206接近目前法国核电两倍 double nuclear electricity in France中方案

9、(II)2024012相当目前美法苏三国核电之和 sum of nuclear electricity in US,France and RF高方案(III)3036018超过目前全世界核电总和 sum of nuclear electricity in the worldFraction A: fraction of nuclear electricity in total electricity supply. Fraction B: fraction of nuclear electricity in total primary energy supply.从以上预测可以看出，一方面由于

10、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

11、 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

12、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400-700GW10.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.1 Predicted maximum capacity of nuclear energ

13、y up to 2050 in China3 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

14、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ARIES Team 及波音公司19

15、97 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(International Thermonuclear Experimental Reactor) 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) 19801985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(SWI

16、P)进行概念设计研究。(2) 19861990 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) 19912000年，实施“863”计划第二阶段：在借鉴 ITER EDA 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