国家重点基础研究发展规划项目建议书 我国大规模发展核裂变能的科学

1、聚变中子源驱动的次临界核能系统聚变中子源驱动的次临界核能系统- 聚变能的早期应用途径吴宜灿1.1.什么是次临界系统？什么是次临界系统？ -功能及特点功能及特点2.为什么研究它？-核能发展的现状与能源需求3.现有基础如何？ -国际国内现状4.ASIPP研究进展？5.建议的研发日程？内 容聚变中子源驱动的次临界核能系统（聚变中子源驱动的次临界核能系统（FDSFDS） 多功能的混合堆多功能的混合堆两种核反应的基本特点两种核反应的基本特点：l聚变反应是富中子、贫能量：14 MeV/次DT = He + nl裂变反应恰好是贫中子、富能量: 200 MeV/次n + AC(重核)= FP(裂变产物) +

2、xn x=2 4 FDS = Fusion Core + Fission Blanket FDS = Fusion Core + Fission Blanket26 EPS, Mastrich, Netherlan, 14-18 June, 1999Fusion CoreFissionBlanketBlanket functions: fuel breeding waste transmutation energy production other applications 利用聚变中子轰击有中子倍增材料如钚的次临界包层，经中子倍增、能谱利用聚变中子轰击有中子倍增材料如钚的次临界包层，经中子倍

3、增、能谱优化优化, ,包层中长寿命放射性废料核发生不同类型反应生成新的低毒或无毒包层中长寿命放射性废料核发生不同类型反应生成新的低毒或无毒核素，而天然铀吸收中子生成可裂变核燃料并且产生大量的能量核素，而天然铀吸收中子生成可裂变核燃料并且产生大量的能量, ,以以 “ “变变废为宝废为宝 ” ”。聚聚 变变中中 子子 源源 接近现有托卡马克 实验参数水平 优化的次临界优化的次临界包层系统包层系统 处理核废料 生产核燃料 产氚/材料实验等裂裂 变变核核 电电 站站14MeV中子核燃料氚核废料国际权威聚变学术刊国际权威聚变学术刊物物 Nuclear FusionNuclear Fusion审稿人认为：

4、对审稿人认为：对“等等离子体的应用作出了离子体的应用作出了巨大贡献巨大贡献”， “ “创新创新思想值得高度赞赏思想值得高度赞赏”。科技部科技部863863课题验收专课题验收专家组认为家组认为 “ “研究成果研究成果具有重要创新性具有重要创新性, ,为聚为聚变中子源的早期应用变中子源的早期应用开辟了新途径开辟了新途径”。首次在国内开展核废料首次在国内开展核废料中子嬗变处理研究，否中子嬗变处理研究，否定了国际上早期得出的定了国际上早期得出的相反结论相反结论, , 发表论文发表论文3030余篇余篇, , 被被IAEAIAEA聚变能大聚变能大会选为口头报告会选为口头报告中科院等离子体物理研究所利用聚变

5、中子嬗变处理长寿命放射性核废料利用聚变中子嬗变处理长寿命放射性核废料聚变技术早期应用研究本研究工作得到了国家基金委、国家863计划和中国科学院的支持这种系统 对等离子体驱动器的参数对等离子体驱动器的参数要求远比纯聚变电站对其等离子体堆芯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。置己达到的参数水平。聚变中子源驱动的次临界核能系统聚变中子源驱动的次临界核能系统次临界核能系统次临界核能系统功能功能 ( (I)I)生产核燃料和产能：生产核燃料和产能：中子U238或TH232 = 能量PU239或U233PU239或U233

6、 可供给裂变核电站使用次临界核能系统次临界核能系统功能功能 ( (II)II)处理核废料和产能：处理核废料和产能： 中子废物核 = 能量短寿命或稳定核 长寿命核废物长寿命核废物: : 裂变产物（如99Tc、129I、137Cs等），几百年以上 锕系元素(如Pu、Np、Am、Cm等)，几百万年以上毒性大、寿命长，非常难于处理。深埋深埋 ？ 海洋？海洋？ 太空？太空？ 利用利用 ! !次临界核能系统次临界核能系统功能功能 ( (III)III)生产氚：生产氚： 中子Li6 = 氚 He4 中子Li7 = 氚 He3 + 中子 氚可补充聚变堆芯消耗的氚，并可有氚剩余 剩余剩余 = = 国防国防次临界

7、核能系统次临界核能系统功能功能 ( (IV)IV)产能（处理核废料和生产核燃料产能（处理核废料和生产核燃料) )： )1 (effeffEEkkMfusionfission)/(421 .14,200fissionneutronsproducedMeVEMeVEfusionfission505 . 2,90. 0MThenKAssumeeff1.什么是次临界系统？ -功能及特点2.2.为什么研究它？为什么研究它？-核能发展的现状与能源需求核能发展的现状与能源需求3.现有基础如何？ -国际国内现状4.ASIPP研究进展？5.建议的研发日程？内容核能发展现状与国家能源需求核能发展现状与国家能源需求

8、 核能是公认的现实的可大规模替代常规能源的既干核能是公认的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净又经济的现代能源 20502050年能源需求年能源需求: : 40亿吨标煤 规模极大,结构应合理 一座百千瓦核裂变电站 300万吨原煤/年无二氧化碳造成温室效应, 无二氧化硫和氮化物对大气的污染 世界核电状况世界核电状况: : 根据IAEA截止到1994年的统计，装机容量为3.6亿千瓦，核电约占总发电量的23.2%23.2%, 而中国大陆仅中国大陆仅1%1% 左右左右 核电可大有作为核电可大有作为! !我国我国2121世纪中对核能发展规模要求是十分巨大世纪中对核能发展规模要求是十分巨大

9、: :到到20502050年年: :从相对数量看从相对数量看: :即使达到高目标，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。从绝对数量看从绝对数量看: :规模将是空前巨大的，其高目标将超过目前全世界核其高目标将超过目前全世界核电总和电总和方案核电占总电力比例核电发展规模占一次能源比例 备 注(总规模水平)低方案中方案高方案1020301.2 亿千瓦2.4 亿千瓦3.6 亿千瓦61218接近目前法国核电两倍目前美法苏三国核电之和超过目前全世界核电总和裂变电站可以成为一代大规模商用能源，但必须裂变电站可以成为一代大规模商用能源，但必须解决四个重要问题解决四个重要问题: : .提高

10、安全性提高安全性 : : 临界安全 等 .增殖核燃料增殖核燃料: : 铀钍资源有限 .处理核废料处理核废料: : 危害长大数百万年以上 .防止核扩散防止核扩散: : 高浓钚和铀核能发展现状与国家能源需求核能发展现状与国家能源需求受控热核聚变受控热核聚变取得了突破性进展取得了突破性进展, ,将为人类提供最将为人类提供最理想的清洁能源理想的清洁能源, ,但经济性好的纯聚变能的商业应但经济性好的纯聚变能的商业应用还需艰苦努力用还需艰苦努力l一升海水中的氘 300多升汽油l反应产物几乎是无放射性的核能发展现状与国家能源需求核能发展现状与国家能源需求 有没有可能早期应用？在聚变能商用化以前：在聚变能商用

11、化以前： 解决大规模发展核裂变能重要问题 固有安全、深燃耗和高效率，可以成为大规模、可持续发展核能重要方式 推动永久清洁能源聚变能发展的重要台阶次临界核能系统次临界核能系统优势优势 ( (I)I)在聚变能商用化以后：在聚变能商用化以后： 继续为处理裂变电站积累的高放核废料及军用钚作贡献, 可保持技术发展的连续性次临界核能系统次临界核能系统优势优势 ( (II)II)1.什么是次临界系统？ -功能及特点2.为什么研究它？-核能发展的现状与能源需求3.3.现有基础如何？现有基础如何？ -国际国内现状国际国内现状4.ASIPP研究进展？5.建议的研发日程？内容聚变驱动器聚变驱动器研究进展研究进展 (

12、 1 ) 开发聚变能的科学可行性经过近开发聚变能的科学可行性经过近6060年的艰难历科学可行性己得到证实，年的艰难历科学可行性己得到证实，并取得了突破性进展并取得了突破性进展 聚变驱动器聚变驱动器研究进展研究进展 ( 2 ) 表征聚变反应率的最重要参数表征聚变反应率的最重要参数 “ “聚变三重积聚变三重积” ” : : ( ( 温度温度密度密度能量约束时间能量约束时间 ) ) 在日本最大的托卡马克JT-60U上已达 1.51021 KeVm-3S。 这一重要参数在过去20年内已提高了10000 倍， 目前离纯聚变堆的要求仅仅还差约 20 20 倍。峰值聚变输出功率峰值聚变输出功率 : : 在美

13、国最大的托卡马克TFTR达到10.710.7兆瓦兆瓦, , 在欧洲的JET上达到 16.1兆瓦, 已可有一定实用价值。在此中子产生率下，如能连续运行，则可支在此中子产生率下，如能连续运行，则可支持持3030万千瓦热功率核电站的核燃料供应！万千瓦热功率核电站的核燃料供应！。聚变驱动器聚变驱动器研究进展研究进展 ( 3 ) 输出功率输出功率( (获得获得) )和输入功率和输入功率( (消耗消耗) )之比的之比的Q Q值值: : 在TFTR和JET上已接近1。JT-60U上等效Q值已超 1，达到 1.25。聚变驱动器聚变驱动器研究进展研究进展 ( 4 ) 聚变驱动器聚变驱动器研究进展研究进展 ( 5

14、 ) 现有TOKAMAK研究进展已证明了聚变中子源应用(生产核燃料、处理废料、产能等)的可行性 (i.e. H=1, BetaN=23, Pfusion=10-100MW, Q=25)，如果稳态运行或长脉冲运行取得进展，这种应用将很有吸引力。混合堆混合堆 研究进展研究进展 - 国际国际 ( 1 )5050年代：年代：混合堆，早在50年代初提出过。7070年代年代：各自在美、苏进行，当时这种研究的主要目的之一就是生产高纯度钚钚。8080年代初年代初：美国研究过利用混合堆生产现存大量核武器所需补充的氚氚。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)，8080年代后期年代后期：美

15、苏出自核不扩散的考虑，提出仃止研究聚变-裂变混合堆, 要求只研究纯聚变堆,如ITERITER(国际热核聚变堆)。9090年代年代： 美、日、欧、俄四方合作进行了近十年的ITER 概念设计和工程设计以及其他堆设计研究之后，一方面大家认识到聚变能的现实性,另一方面也认识到纯聚变堆商用化（经济实用的聚变能源)还需努力。 美国著名的聚变堆研究组ARIES Team 及波音公司1997年发表的关于聚变潜在应用的综合评价研究报告认为聚变最有吸引力的早期应用是处理高放核废料。 美国在1998年又重新宣布重视混合堆研究，把聚变中子源作为聚变能的近期利用(燃烧核废料、生产核燃料、产氚及材料辐照研究)，是美国发展

16、聚变能战略的一个组成部分。混合堆混合堆 研究进展研究进展 - 国际国际 ( 2 )3127251918131311111010662060 05 51 10 01 15 52 20 02 25 53 30 03 35 5T Tr ra an ns sm mu ut ta at ti io on n o of f N Nu uc cl le ea ar r W Wa as st te eD Di is ss so oc ci ia at ti io on n o of f C Ch he em mi ic ca al l C Co om mp po ou un nd ds sH Hy yd dr

17、 ro og ge en n F Fu ue el ls sD De et te ec ct ti io on n, ,R Re em mo ot te e S Se en ns si in ng gP Po oo ou ul ls si io on nR Ra ad di io o- -I Is so oo op pe es sA Ac ct ti iv va at ti io on n A An na al ly ys se es sE El le ec ct tr ri ic ci it ty y, ,C Ce en nt tr ra al l S St ta at ti io on n

18、R Ra ad di io ot th he er ra ap py yT Tr ri it ti iu um m P Pr ro od du uc ct ti io on nE El le ec ct tr ri ic ci it ty y, ,L Lo oc ca al l S St ta at ti io on nP Pr ro oc ce es ss s H He ea at tL Li it th ho og gr ra ap ph hy yR Ra ad di io og gr ra ap ph hy yD De es sa al li in na at ti io on n, ,

19、F Fr re es sh h W Wa at te er rO Or re e R Re ed du uc ct ti io on n R Re ef fi in ni in ng g美国著名的聚变堆研究组美国著名的聚变堆研究组 ARIES Team ARIES Team 及及 波音公司波音公司19971997年发表的关于聚变潜在应用的综合评价研究报告年发表的关于聚变潜在应用的综合评价研究报告认为聚变最有吸引力的早期应用是处理高放核废料。认为聚变最有吸引力的早期应用是处理高放核废料。前苏联一直重视发展混合堆，在很长一段时间内ITER 计划与OTR计划并行研究。 日本、印度一直注视着中国发展混

20、合堆的进展, 实际上一直在从事相关的工作。混合堆混合堆 研究进展研究进展 - 国际国际 ( 3 ) IAEA 重视混合堆研究工作,IAEA顾问会议，MOSCOW，July 6-7, 2000：(1) 评估以前的工作(2) 与加速器混合堆系统比较(3) 建议下一步的工作 应邀参加IAEA混合堆顾问会议，并应邀为IAEA撰写2000年混合堆现状与发展评估报告。混合堆混合堆 研究进展研究进展 - 国际国际 ( 4 ) 中国的聚变-裂变混合堆研究始于1980年，大体可分以下三个阶段： 1980198019851985年，初始物理概念研究阶段年，初始物理概念研究阶段:ASIPP+SWIP 1886188

21、619901990年，实施年，实施“ “ 863 ” 863 ” 计划第一阶段计划第一阶段：(1)确定混合堆在我国能源发展中的战略地位(2)进行概念设计 (3)开展了下列R&D 工作：堆芯等离子体实验；积分中子学实验；氚工艺；混合堆材料研究 1991199120002000年，实施年，实施“ “ 863 ” 863 ” 计划第二、三阶段：计划第二、三阶段：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和关键技术工程概要设计。开展了多功能混合堆的研究。混合堆混合堆 研究进展研究进展 - 国内国内 中核总及国防科工委已将混合堆纳入其核聚变

22、发展规划纲要。 中科院和所各界领导给于很大重视。 (如一期创新工程支持）混合堆混合堆 研究进展研究进展 国内国内混合堆混合堆 研究进展研究进展 国内国内重要结论： 聚变裂变混合堆是聚变到裂变发展过程中的一个重要过渡，聚变和裂变不是竞争对手,而是互相促进的。 “聚变”到“聚变能经济”跨度太大，需中间应用。 聚变裂变混合堆的发展不仅有利于裂变核工业解除目前的困境（解决燃料与废料问题)，也有利于推动聚变的发展(定位于一个短期目标)。混合堆混合堆 研究进展研究进展 国际国内国际国内1.什么是次临界系统？ -功能及特点2.为什么研究它？-核能发展的现状与能源需求3.现有基础如何？ -国际国内现状4.4.

23、ASIPP ASIPP 研究进展？研究进展？5.建议的研发日程？内容物理方案 + 大型数值模拟程序及数据库研究方法： = 可行性研究实验设施 中科院等离子体物理所中科院等离子体物理所( (ASIPP)ASIPP)是国家是国家“863”863”计划三个计划三个五年计划中聚变裂变混合堆课题的主要承担单位之一：五年计划中聚变裂变混合堆课题的主要承担单位之一：实验/设计 19901990年我所在国内率先开展了长寿命放射性废物嬗变年我所在国内率先开展了长寿命放射性废物嬗变( (转化转化) )的研究的研究,1994,1994年正式得到了国家自然科学基金的年正式得到了国家自然科学基金的资助，九五期间列入资助

24、，九五期间列入“863”863”计划混合堆课题大框架中；计划混合堆课题大框架中； 取得了重要成果取得了重要成果, ,在国际国内均产生了重要影响在国际国内均产生了重要影响, ,在国际在国际上已有重要的一席之地。上已有重要的一席之地。研究进展研究进展 - ASIPP 1.1.利用利用PuPu作为中子倍增剂的创新包层概念作为中子倍增剂的创新包层概念: : ASIPP自1990年以来的研究表明，如果在混合堆包层里利用Pu作为中子倍增剂，就有可能把有效嬗变裂变产物所要求的中子壁负荷从10MW/m2下降到1 1 MW/mMW/m2 2，这是近期实验水平可以达到的，这也为处理军用过剩钚(Pu)开辟了一条新道

25、路。这些结果受到国际聚变界的极大关注 1992年，德国，第第1414次次IAEAIAEA大会大会 研究进展研究进展 - ASIPP ( 1 )2.2.裂变产物与锕系元素的有效嬗变裂变产物与锕系元素的有效嬗变: : 研究进而推广到用14 MeV的中子来嬗变各种裂变产物与锕系元素，还研究了在这种次临界装置里如何控制系统次临界度及功率密度的变化。 1994年，西班牙， 第第15 15 次次 IAEAIAEA大会大会研究进展研究进展 - ASIPP ( 2 ) 3.3.基于目前现实的驱动器条件进行嬗变研究基于目前现实的驱动器条件进行嬗变研究: :近期ASIPP的研究已证实了基于已有实验装置已有实验装置

26、JET(JET(欧州欧州) )和和TFTR(TFTR(美国美国) )已达到的中子流强水已达到的中子流强水平平(如中子壁负荷为0.20.20.50.5MW/mMW/m2 2)在长脉冲或连续运行情况下有可能处理1010个同等热功率的压水堆裂变电站所产生的长寿命锕系元素。 19961996年年, , 加拿大加拿大, , 第第16 16 次次 IAEA IAEA 大会大会研究进展研究进展 - ASIPP ( 3 )4. 4. 多功能包层概念与放射性洁净的核能系研究多功能包层概念与放射性洁净的核能系研究: : 在1997年我们进.行了多功能包层多功能包层的设计研究，即在同一包层里可以生产核燃料、处理核废

27、料、生产氚及发电，并且可以做到把这些核废物基本“烧光”，使之成为放射性洁净的核能系统 19981998年年, ,日本，日本， 第第1717次次 IAEA IAEA 大会大会研究进展研究进展 - ASIPP ( 4 )研究进展研究进展 - ASIPP ( 5 )5. 5. 国际影响国际影响: : 重大国际会议或学术刊物发表了大量研究论文重大国际会议或学术刊物发表了大量研究论文包括四次IAEA聚变能大会口头报告“九五”期间共60余篇 国际权威学术刊物评价国际权威学术刊物评价Nuclear Fusion 审稿人在给编辑部的审稿意见评价道：“ “ 这篇论文对球环等离子体的利用作出了巨大的贡这篇论文对球环等离子体的利用作出了巨大的贡献。献。 而且，有两个创新思想是值得高度赞赏的，而且，有两个创新思想是值得高度赞赏的，其一是钚利用包层的设计，另一个是液态金属冷却球环其一是钚利用包层的设计，另一个是液态金属冷却球环中心柱中心柱。”堆型名称堆型名称( (功能功能) )FDTFDTE E( (处理废料处理废料) )FEBFEB( (生产燃料生产燃料) )增殖/嬗变能力 400 kg/y 100 kg/y次临界度 Keff0.910.4峰值功率密度90 w/cc20 w/cc热功率（GW）0.750.4时间/空间占空比0.5*0.50.5*0.5设