719-核能与Z箍缩驱动混合堆-彭先觉

原子力和z箍缩驱动混合反应堆，彭仙觉2013.07绵阳概述，1核能-未来能源希望1.1中国的能源状况1.2核能资源1.3各类原子前景2Z箍缩驱动核裂变混合能源反应堆2.1Z箍缩概念2.2Z箍缩国外发展概述2.3Z箍缩驱动核聚变裂变混合能源反应堆，1即使通过努力，其增加量也是巨大的(见杜尚渊2010年工程院报告)，时间(年)201020202030202050能源需求30404550(以亿吨为基准的煤炭)(79)整体上，我国未来能源状况非常严重。我们必须尽快建立我国的安全、清洁、经济和持续能源共享体制。我个人认为，从核能、技术和对环境的影响来看，核能、1.2核能和核能，1)核裂变能量和资源裂变能量：中子的作用下核裂变释放的能量量。一个中核裂变释放出约200MeV的能量，1公斤的铀完全裂变释放出的能量约为20000tTNT当量，相当于2.85kt标准煤。可用的中核主要是U-235、U-238、Th-232、U-233和Pu-239中U-235、U-238和Th-232的自然存在。U-233是由Th-232吸收中子后衰变形成的。Pu-239是U-238吸收中子后衰变而形成的。1.2核能和核能资源，裂变能源资源：天然铀可回收储量：550万吨(包括世界现有量)钍可勘探储量：120万吨全球能源1.51013瓦(或160亿吨基准煤/年)表示，550万吨铀整体核裂变接近1000万吨加上钍可以超过1000年(实际可用资源数千万吨，人类可以使用数千年)。1.2核能和核能资源，锂世界可恢复储量约590万吨(可利用资源超过1000万吨)。其中锂-6储量约为44万吨，全世界能源1.51013瓦，44万吨锂-6，可以使用约330年。目前，其他热核聚变反应，如氘反应、氘氦-3反应，很难用作民用核能。1.2核能和核能资源，2)对核能的基本看法核能在资源、经济、清洁和环境保护、安全方面应成为未来人类规模的能源(尤其是资源和环境)的主力。从持续规模的能源角度来看，有发展前景的核能只有快堆、核聚变-裂变混合器和核聚变。核聚变要想一个人成为能源，还存在很多技术困难。这一堆如何发展取决于各国的实际情况，如资源、技术、需求规模、国民的态度等，以及自身的技术进步。1.3多种核能前景，1)反应堆发电厂热中子反应堆的主要优点：技术成熟度、安全、经济性的主要问题：核燃料U-235资源少的天然铀中，U-235只有0.71%，土地储量为550万吨(海水中有大量天然铀，每1000吨海水中有铀)如果用热中子完全供给全世界的能源，就等于保持目前的供应水平不到20年。中国铀资源不足，热中子反应堆无法解决长期的能源需求问题，1.3种核能前景，快堆(快中子增殖炉)的主要优点：技术基本成熟，可以燃烧U-238(和Th-232)，可能成为千年能源的主要问题：1)早期Pu装载量更大，(3) 快堆核电站很难占据能源中的大比重(如50%，需要500万千瓦核电站)，2)后处理(核燃料循环)技术复杂，成本高，对环境的影响也很大。，1.3各类核能展望，2)核爆炸变电站-人类最现实的长期能源核爆炸发电站需要解决的主要问题：核装置威力万吨级( 10ktTNT当量)，核聚变份额90%氘；要把核爆炸安全地转换为热能和电力，大幅减少工程技术的困难。实现核燃料的循环和增殖。1.3核能展望，核爆炸变电站示意图，1.3核能展望，初步研究和设计后，我们解决了干净核装置的设计技术途径问题(氘为核材料，万吨级电力，核聚变份额大于90%)。核燃料循环的技术途径问题；初步确定了可以安全地将核爆炸转换为热能和电能的技术路线。这条技术路线将使人类获得数万年的能源供应。如果你设计好核装置，你可以达到较小的等效水平(如2 3 kttnt)，达到核聚变的90%的份额。这对发电厂的安全运行将具有重要意义。1.3各类核能前景，3)可控热核聚变发电站目前由两种主要方法组成：磁约束和惯性约束。惯性约束分为激光驱动、Z-Pinch驱动和重金属驱动等。1.3各种核能前景，磁约束融合(MCF)发电站，由核心等离子体三部分组成的发电站；包层(氚再生区)；放在真空室外强磁场中。据推算，2050年将达到商业化水平。问题是内壁要接受高能中子的持续强烈调查、连续运行、氚生产和包层壁的更换。此外，高成本、低输出能源份额、高发展成本。1.3各种核能预测，ITER设备，1.3各种核能预测，主要技术指标融合电源：500MW脉冲长度：8805；500s辅助加热功率：86MW聚变能增益q: 10左右第一壁平均中子负载：0.5 mm-2第一壁平均热流负载：0.125m-2，1.3多种核能展望，磁约束聚变能的大致过程：ITER构建进展：约2018基本完成在2030-2035年建造热核工程演示反应堆(DEMO)。到2050年，商业反应堆将被建造。预计到2028年，数百兆瓦电力的等离子燃烧问题将得到解决。如何利用ITER类(或小于ITER)设备解决能源问题是需要仔细研究的工作。1.3多种核能前景，4)惯性约束聚变(ICF)电站ICF电站技术成熟度较低的磁约束，粒子束驱动方式研究基本停止。激光驱动ICF，技术上最大的问题还是激光的功率、能量、能量转换效率和脉冲频率之间的复杂关系，以及作为商业能源设备的适应性。Z-Pinch驱动的ICF作为能源工作，但是驱动器的重复工作频率和设备的长期工作可靠性也非常困难。目前，一些核心技术正在取得突破。1.3多种核能展望，美国LLNL激光驱动惯性约束聚变-裂变混频器(LIFE)，1.3多种核能展望，1.3多种核能展望，主要参数激光能量1.4MJ聚变靶发射能量38MJ聚变靶增益27脉冲频率13.3聚变动力500MW 1壁半径2.5mBe层厚度15cm燃烧三重氢会消耗Be，不会花很长时间。由于Be的使用限制，熔覆半径不能太大。目前情况下，袋内壁高能中子的辐照强度达到5MW/m2的水平，内壁材料的寿命非常有限，实际上堆需要经常更换内壁，周期不到4年。熔盐腐蚀问题；核反应堆的能量比例太小，需要核聚变电源。1.3核能前景多样，激光开发也有困难。也就是说，为了解决重复频率操作，需要二极管抽运固体激光器，成本很高，大大限制了激光的能量，目标药丸释放的能量很小。目标药丸跳动速度10发/秒，定位精度10微米米，难度。降低重复频率需要增加激光输出能量，费用基本上与能量成正比，进退两难。1.3各种核能前景，由于使用3倍速度的光，使用KDP晶体，这种晶体昂贵，能量强，难度不可低估，不能忍受多次强烈的激光照射；利用中心的火灾，对压缩对称和空心能量的时间运动要求较高，相反，目标球的放置精度更高。总之，寿命方案中还有太多问题需要解决。2Z箍缩驱动的核聚变裂变混合能量反应堆，也称为2.1Z箍缩概念z箍缩，由等离子在轴(z方向)强电流产生的洛伦兹力在半径(r方向)上形成的自夹效应，2.1Z箍缩概念，洛伦兹力在电流通过一根导线时在导线周围产生磁场(见图1)。麦克斯韦电磁方程是磁场强度为：2.1Z箍缩概念，(1.1)是实际单位系统下的表达式，表达式是电流密度。磁感应强度B 32;h可在真空中沿环积分(1.1)在导线中心r获得。0=410-7牛顿/安培2，真空渗透率。2.1Z箍缩概念，如果导线是金属导体，电流在导体表面很薄的一层内流动，导体内部没有磁场，磁场只分布在表面的一层和导体外部的空间，移动的电荷受到洛伦兹力的作用。也就是说，其中e是电荷引起的电量，电荷转移速度，磁感应强度。图(1)中所示的2.1Z收缩概念，沿带电导线以径向方向产生朝向中心的加速度。结果是引起电荷束的自身收缩。此收缩效应在电流足够强的情况下产生巨大的等离子芯内爆炸，并在轴附近产生高温高密度区域。早期的受控热核研究试图用这种方法实现热核反应。金属套筒外表面的磁场压力，金属套筒外边界r处的磁压力由(1.4)和(1.1)给出，如果I=20MA，r=1cm替代，则Pm 63.7 GPA I保持不变时，套筒表面的压力为r等于1cm0.0典型的z-pinch实验结构如图(2)所示，在正极和负极之间放置围绕金属套管或电线的套筒(以降低套筒的质量)，套筒的外部半径为r，长度为l，通过套筒的电流为I(时间的函数)。2.2SandiaZ芬奇驱动能量研究概述，20世纪50年代中期，科学家们利用脉冲放电芬奇等离子体探索了可控热核聚变的可能性。此后，该领域的研究活跃进行，特别是相应的脉冲功率技术大大发展，放电电流越来越大，但由于界面不稳定现象(香肠效应)和当时的技术条件的影响，再也没有得到预期的结果，在20世纪60年代中期进入低频。2.2SandiaZ芬奇驱动器能量研究概述，1997年底，Sandia在20MA驱动器上具有突破性的x射线功率290TW，x射线能量1.8MJ，黑室辐射场温度约155eV的最新水平，x射线能量转换率(将电力转换为x射线能量的比率)达到了15%，Sandia能源概念研究，z-pinchifedoro (ZP-3，the first study) used 12 chambers，each with 3gj at 0.1Hz，to product1000他们展示的目标是模仿激光ICF的目标，这种目标所需的条件在激光驱动下也很难在Z-Pinch驱动下实现。也没有提出科学合理的混合堆方案。所以Z-Pinch主导的能源研究还在艰难的探索中。Z-Pinch驱动器的最大优点是构建能效驱动器的成本低是正确的技术路径，尤其是融合目标的设计，需要解决2.3Z夹芯驱动裂变混合器、z夹芯驱动核能需要解决的主要技术问题有以下四个：设计高产目标，实现物理目标，最小化对驱动器电流的要求，开发驱动器以实现高频率、高电流、快速上升线；开发爆炸室和重定目标机制；开发性能优良的二次临界能源反应堆，减少驱动工程的技术困难，真正的技术困难是、项目、2.3Z捏驱动裂变混合器、高产靶标和驱动可开发性高产量高的目标(最重要的核心)设计目标要求：低能源要求；能有效克服导线阵列动能的方向，形成准球面对称压缩；偏心性(即压缩不对称)能力好。2.3Z箍缩驱动裂变混合器，我们提出了一种完全新型的高产量靶设计，采用局部全点火方法，有效地将导线阵列动能转换为辐射能，具有良好的等向压缩效果和偏心性(根据可分解性研究，不做任何调整，允许压力不对称20%以上)。初步计算表明，30 40毫安实现点火，60 70毫安的电流有可能释放1.5GJ以上的核聚变能量。2.3Z夹芯驱动器核聚变裂变混合器，*在美国1-way LTD成功开发驱动器后，制造60MA以上驱动器的可能性大大增加，剩下的核心技术主要有两项。一是高压大电流汇流时的材料问题。二是数十万个开关和电容器工作的稳定性问题。我们认为，靶子的设计要与驱动器开发一起全面考虑。实际上，由于目标的大小在一定程度上较大，导线阵列的半径更大，因此驱动器电流上升线不必小于100ns，可以增加到200ns。负载是电感，因此得到相同的电流，可以将汇流堆的电压降低两倍，从而大大减少驱动器构建的困难和成本。总体上，基于LTD的驱动器部署60MA以上没有明显的技术障碍。众物院的z-芬奇研究众物院的z-芬奇研究始于2000年，主要是受到桑地亚1997年实验取得的突破性成果的鼓舞。目的探讨实现惯性约束融合的新方法。俄罗斯S-300设备和Angara-5，21个闪烁设备的导线阵列电磁内波实验成立了理论、实验、诊断、制败、驱动器5比1的研究小组，成为Z-Pinch research世界俱乐部的重要成员。目前，8-10MA级别驱动器PTS已默认部署，并将很快获得批准。计划构建可用于混合点火装置研究的LTD类型30-40MA。在融合目标设计中，提出了完全创新的更适应的Z-Pinch技术路线；除了新的二次临界能量堆概念外，医院已