圖1 Z-FFR = 單路Z箍縮聚變單元+深次臨界能源包層

我們?cè)O(shè)計(jì)的裂變包層部分可以從天然鈾開始，甚至更理想的是從熱中子堆的乏燃料開始。這樣，整個(gè)裂變系統(tǒng)的臨界度（K有效）可以控制在0.8以下，即工作在深次臨界狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)大大提高了裂變堆的安全性和穩(wěn)定性，避免了常規(guī)裂變堆的臨界安全問題。我們的系統(tǒng)采用水作為傳熱介質(zhì)，結(jié)合了壓水堆的性能特點(diǎn)。水在高壓下密度變化非常小，這使得系統(tǒng)的物理計(jì)算更接近實(shí)際運(yùn)行情況。水不僅是便宜的介質(zhì)，還具有很好的中子慢化性能，有助于提高能量增殖倍數(shù)，我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)的主要參數(shù)（聚變部分）大概就是：一個(gè)60-70MA的驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)行周期為每10秒一次。預(yù)計(jì)未來的負(fù)載套筒碰靶動(dòng)能將達(dá)到10MJ以上，而聚變靶丸的能量釋放預(yù)計(jì)可達(dá)到2000MJ以上。裂變堆的設(shè)計(jì)能夠有效放大聚變的能量。例如，在采用乏燃料的情況下，能量放大倍數(shù)可以達(dá)到15倍，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)能達(dá)到20倍。這不僅增強(qiáng)了裂變堆的能量輸出，也有效提高了能量轉(zhuǎn)化效率，但是將來氚生產(chǎn)太多也是一個(gè)問題，還是需解決氚的基本平衡問題。雖然聚變與裂變的結(jié)合有助于提高能量輸出，但氚的過度生產(chǎn)可能會(huì)帶來不利影響。

因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中要特別注意氚的生產(chǎn)與消耗之間的平衡，確保能量輸出最大化的同時(shí)，避免氚的過度積累。

Z-FFR系統(tǒng)從驅(qū)動(dòng)器到最終能源輸出的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都已進(jìn)行了深入的研究。目前，我們已經(jīng)基本解決了物理、技術(shù)、工程和材料方面的關(guān)鍵問題，為系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，該系統(tǒng)進(jìn)入了工程驗(yàn)證階段，盡管仍有一些關(guān)鍵問題需要進(jìn)一步驗(yàn)證，但整體研究成果已經(jīng)表明該系統(tǒng)具有可行性。驗(yàn)證完成后，整個(gè)系統(tǒng)將進(jìn)行整體演示。

（一）Z-FFR的先進(jìn)性

安全優(yōu)勢：這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)絕對(duì)安全的系統(tǒng)，它的安全性可能是未來核能系統(tǒng)中最好的。我們?cè)O(shè)想的布局是：地面一層為驅(qū)動(dòng)器，而所有涉及核反應(yīng)的部分都設(shè)在地下。通過嚴(yán)格的物理隔離，包括放射性物質(zhì)和氣體的隔離，確保外部環(huán)境不會(huì)受到任何核污染。這種設(shè)計(jì)使得Z-FFR系統(tǒng)對(duì)外界的影響降到最低，甚至比當(dāng)前的裂變堆和純聚變堆更具安全性。

經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢：經(jīng)濟(jì)上，我們預(yù)計(jì)，建設(shè)一個(gè)100萬千瓦的Z-FFR電站大約需要30億美元（即200億人民幣）。隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，這一成本預(yù)計(jì)將進(jìn)一步降低。

同時(shí)，由于系統(tǒng)具有良好的安全性，它能夠采用遞進(jìn)層式建造，根據(jù)需求在不同地區(qū)建設(shè)。這樣的設(shè)計(jì)有助于分布式能源布局，并且能增強(qiáng)電網(wǎng)的安全性。

持久優(yōu)勢和兼容優(yōu)勢：這個(gè)系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，能夠大力支持熱中子堆的發(fā)展。熱中子堆目前面臨的主要問題包括乏燃料處理和鈾資源的低利用率（整體利用率不到1%）。Z-FFR系統(tǒng)能夠有效利用熱中子堆的廢料（乏燃料和貧鈾）和釷，顯著提高資源的利用效率。例如，如果中國建有200個(gè)熱中子堆，這將意味著中國擁有約200萬噸鈾資源。這些資源可以通過建造1000個(gè)Z-FFR堆來運(yùn)行1000年，極大地提升能源的可持續(xù)性。

Z-FFR堆的輸出功率可以根據(jù)需求進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)，如每10秒、15秒或20秒調(diào)整一次?？焖俜磻?yīng)能力使得該系統(tǒng)與可再生能源具有極好的兼容性?？稍偕茉吹淖畲髥栴}是階梯性波動(dòng)，而Z-FFR系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的基荷能源，這對(duì)電網(wǎng)的平衡起到了關(guān)鍵作用，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)騰出更多空間，解鎖更多可再生能源的潛力?？稍偕茉吹陌l(fā)電時(shí)間可以根據(jù)天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行預(yù)測，電網(wǎng)可以接受一定幅度的變化（如10%左右），從而減少對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的需求。這個(gè)能源系統(tǒng)對(duì)環(huán)境來講非常友好，為未來可再生能源發(fā)展提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的平臺(tái)。

（二）理想的未來能源

未來的能源系統(tǒng)必然是清潔、低碳、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)、持久和高效的。我們認(rèn)為，未來的能源應(yīng)用中，熱能和電能的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)適當(dāng)分開，以更高效地利用資源和滿足不同的需求。

我們希望核能可以成為未來的基荷能源，核能的主要優(yōu)勢在于能量密度很高，同時(shí)對(duì)地球資源的消耗最小，例如，一個(gè)百萬千瓦的煤電站每年需要消耗約300萬噸煤，而同樣規(guī)模的核電站只需消耗1噸鈾。相比之下，核能在資源使用和環(huán)境保護(hù)方面具有顯著優(yōu)勢，是對(duì)未來能源需求的有效補(bǔ)充。

盡管可再生能源具有清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)地球資源的消耗也非常巨大。例如，為了讓一個(gè)光伏電站產(chǎn)生與百萬千瓦核電站相當(dāng)?shù)碾娏Γ璧墓夥迕娣e大約為30平方公里。這對(duì)土地資源的占用以及其他地球資源的消耗是非常巨大的。

因此，盡管可再生能源在環(huán)境保護(hù)方面具有顯著優(yōu)勢，我們依然認(rèn)為對(duì)人類來說核能是最理想的未來能源。

我們希望原子能時(shí)代能早日到來。當(dāng)我們談?wù)摗拔磥怼睍r(shí)，并不是指幾十年以內(nèi)，而是指較長遠(yuǎn)的未來。目前，化石能源仍然在全球能源供應(yīng)中占據(jù)重要地位，但在百年之后，化石能源可能會(huì)接近枯竭狀態(tài)。因此我們?cè)O(shè)想，未來的能源系統(tǒng)將主要由核能和可再生能源構(gòu)成。在核能領(lǐng)域，能夠提供千年以上能源的技術(shù)包括快堆、磁約束聚變裂變混合堆，以及Z箍縮驅(qū)動(dòng)聚變裂變混合堆。

我們認(rèn)為，Z箍縮驅(qū)動(dòng)的聚變裂變混合堆在未來能源競爭中具有明顯優(yōu)勢。其獨(dú)特的性能是其他能源形式難以比擬的。因此，我們期望這一系統(tǒng)能夠成為一個(gè)智慧能源系統(tǒng)，為未來人類的可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的能源基礎(chǔ)。

三、Z-FFR的實(shí)現(xiàn)途徑與產(chǎn)業(yè)前景

在2021年，我們?cè)谒拇ㄌ旄聟^(qū)成立了天府創(chuàng)新能源研究院，這是一個(gè)新型研發(fā)機(jī)構(gòu)。隨著形勢的發(fā)展，我們意識(shí)到，未來的能源系統(tǒng)必須通過市場化和商業(yè)化的模式來推進(jìn)，我們也設(shè)立了澤塔聚變科技（北京）有限公司。因此，天府創(chuàng)新能源研究院的基本定位是負(fù)責(zé)Z-FFR的物理設(shè)計(jì)總體工作，而澤塔聚變科技（北京）有限公司負(fù)責(zé)Z-FFR的工程設(shè)計(jì)總體、工程驗(yàn)證、供應(yīng)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈等方面的工作，兩家單位協(xié)同推進(jìn)Z-FFR技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，最終將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)優(yōu)良適用的能源系統(tǒng)。

我們的目標(biāo)是將Z-FFR技術(shù)通過市場化和商業(yè)化路徑逐步推向?qū)嶋H應(yīng)用，推動(dòng)其成為可行且具有競爭力的能源解決方案。Z-FFR產(chǎn)業(yè)的分布分成幾個(gè)部分：

驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)業(yè)。Z-FFR系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器是整個(gè)能源系統(tǒng)中的核心部分，主要由電容器和開關(guān)通過串聯(lián)并聯(lián)組成。當(dāng)前，驅(qū)動(dòng)器的工作壽命有限。如果驅(qū)動(dòng)器每半年就需要更換，成本將非常高。因此，未來驅(qū)動(dòng)器的電容器和開關(guān)需要具備長壽命，目標(biāo)是達(dá)到千萬次級(jí)的使用壽命，而現(xiàn)有的技術(shù)水平僅能支持幾十萬到百萬次的使用壽命。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)業(yè)仍需克服很多研發(fā)障礙。當(dāng)然我們也有了一些解決問題的辦法，希望還是很大的。

負(fù)載、靶制造產(chǎn)業(yè)。為了實(shí)現(xiàn)聚變，Z-FFR系統(tǒng)的負(fù)載、靶部分需要特別設(shè)計(jì)。未來驅(qū)動(dòng)器每10秒鐘運(yùn)行一次，這對(duì)經(jīng)濟(jì)性提出了很大的挑戰(zhàn)。我們必須設(shè)計(jì)出既能夠快速生產(chǎn)、又能在經(jīng)濟(jì)上可行的負(fù)載、靶制造方法。這是一個(gè)涉及多方面問題的產(chǎn)業(yè)，需要從生產(chǎn)效率到成本控制等多方面進(jìn)行研究和布局。

裂變核燃料產(chǎn)業(yè)。Z-FFR系統(tǒng)的裂變包層部分，初期預(yù)計(jì)將從乏燃料開始。現(xiàn)有的燃料包層采用二氧化鈾，但需要將其轉(zhuǎn)換為金屬鈾，并制造成適用于包層的部件。每塊鈾的面積約為1至幾平方米，厚度達(dá)到厘米級(jí)，整個(gè)包層的厚度可達(dá)到10厘米。因此，裂變?nèi)剂习鼘拥闹圃煨枰鉀Q許多技術(shù)難題，尤其是在放射性環(huán)境下進(jìn)行制造的挑戰(zhàn)。為減少環(huán)境污染，我們計(jì)劃采用干法處理乏燃料，這種方法比傳統(tǒng)的濕法更為環(huán)保，且經(jīng)濟(jì)性也更好。

除了鈾外，釷也將是未來能源系統(tǒng)的重要燃料。我國擁有豐富的釷資源，可以從現(xiàn)在開始積極開發(fā)。傳統(tǒng)鈾資源相對(duì)短缺，但我國的磷礦中含有一定量的鈾，也可以提前布局，進(jìn)行研究、開發(fā)。

聚變核燃料產(chǎn)業(yè)。鋰資源在能源系統(tǒng)中的利用也非常重要。隨著鋰電池的廣泛應(yīng)用，鋰資源的需求不斷增加。未來，如何回收并有效利用鋰資源將成為一個(gè)重要課題。

對(duì)于Z箍縮驅(qū)動(dòng)的聚變裂變混合堆，我們將可能采用高效的鋰?yán)梅绞?。與傳統(tǒng)的TOKAMAK裝置不同，我們不需要對(duì)鋰6和鋰7進(jìn)行分離，這會(huì)顯著降低堆的建造成本，并提高鋰資源的利用效率。

堆建造產(chǎn)業(yè)。堆的建造產(chǎn)業(yè)，涉及大量的制造，因?yàn)檫@些制造工作量都很大，要求速度快，所以這些未來都必須要高度地自動(dòng)化或者是用AI的幫助來完成這方面的任務(wù)。

應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。未來，Z箍縮產(chǎn)業(yè)將主要發(fā)展兩種方式：一種是電堆，我們計(jì)劃將電堆系統(tǒng)與熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)合，以提高能源利用效率。電堆可在不同城市逐步建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供。這不僅能夠提高能效，還可以推動(dòng)大規(guī)模城市改造，促進(jìn)城市能源系統(tǒng)的優(yōu)化和升級(jí)。另外一種是供熱堆，這一系統(tǒng)能夠提供低溫持續(xù)供熱，溫度范圍為100-120攝氏度。

這類堆的應(yīng)用具有廣泛的潛力，尤其在以下幾個(gè)領(lǐng)域：城市供暖與供熱：為城市提供穩(wěn)定、清潔的供暖和供熱解決方案；海水淡化：通過供熱堆，我們可以大規(guī)模進(jìn)行海水淡化。例如，如果建立一個(gè)3000至4000兆瓦的供熱堆，每年可生產(chǎn)10億至20億噸淡水，為水資源匱乏地區(qū)提供解決方案；除了海水淡化外，我們也可以利用這一能源推動(dòng)大規(guī)模農(nóng)田改造，如為北方的農(nóng)田提供足夠的能源來建設(shè)溫室大棚等設(shè)施。

總之，Z箍縮聚變裂變混合堆這種能源系統(tǒng)對(duì)于未來國家的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)的布局都會(huì)帶來極大的變化。期待在不久的將來，能讓這一智慧能源點(diǎn)亮萬家燈火。

（整理人：林美丹。本期活動(dòng)還邀請(qǐng)到了深圳市電子學(xué)會(huì)、深圳市新材料行業(yè)協(xié)會(huì)、深圳市軟件行業(yè)協(xié)會(huì)、深圳市新聯(lián)會(huì)科技聯(lián)盟分會(huì)、深圳市大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)、深圳市微波通信技術(shù)應(yīng)用行業(yè)協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合舉辦。）