Z-FFR起源、优势与关键技术有哪些？

20世纪末至今，Z箍缩聚变研究经历了从概念验证、装置迭代到系统化集成的持续 推进。

根据《核能未来与Z箍缩驱动聚变裂变混合堆》（彭先觉等），美国圣地亚哥 国家实验室（SNL）率先通过Z装置实现了1.8 MJ级X射线输出，能量转换效率达15%， 奠定了高功率Z箍缩路径的技术基础。2012年，俄罗斯启动“聚变点火计划”后因经济 停滞中止。中国工程物理研究院长期在惯性约束聚变研究中保持国际同步，2007年 提出“局部体点火靶”理念，解决了传统聚变点火难度高、能量利用率低的问题。2008 年正式提出Z-FFR混合堆概念，2013年成功输出10MA高电流脉冲并实现靶件驱动， 随后接近美国同类装置能力。2020–2021年间，研究团队完成多个LTD单模块装置、 50MA级驱动器与控制装置的集成与验证，并在“电磁驱动大科学装置”项目中获得立 项，完成“局部体点火靶”系统技术平台建设。2023年起，团队已具备引导百兆安超 导主导体开发能力，为未来Z-FFR驱动系统频次化与寿命化应用奠定基础。

Z-FFR在建造成本、燃料利用率与工程可行性方面具备一定优势。根据《核能未来 与Z箍缩驱动聚变裂变混合堆》（彭先觉等），在1GW热功率规模下，Z-FFR建造成 本约为30亿美元，低于纯聚变堆（>100亿美元）和快堆（50–60亿美元），略高于 热堆（约20亿美元），但在安全性、燃料循环与长期可持续性上表现更优。相较于 快堆需处理千吨级乏燃料、承担高昂后处理费用，Z-FFR不依赖钚循环，燃料来源 广泛，后端处理简化。纯聚变堆虽具理论清洁性，但工程实现难度大，材料与氚自 持问题未解。综合来看，Z-FFR在安全性、经济性与技术成熟度之间实现更优权衡， 具备一定的现实竞争力。

Z-FFR 的关键技术：驱动器为最关键技术。（一）负载靶的设计：Z-FFR 实现聚变的重要部分。负载靶的设计有多种形式，钨丝阵的效果较好。Z箍缩的靶材，要求有很好的内爆压 缩对称性外，更重要的是要求靶的质量较小，以使内爆物质有很高的内爆速度。当 碰到中心轴或靶内物质时，动能转变成内能，因而内爆物质将有很高的平均温度， 能够把能量很容易地以热辐射（或X射线）形式辐射出去。刚开始的设计为金属套筒， 但是该方案很难做到既薄（微米量级）又均匀，后又提出了以金属丝阵代替金属套 筒的方法，新的方案对提高压缩均匀性、降低内爆质量、克服Z箍缩过程不稳定性等 具有重要意义，特别是钨丝阵，可以获得很高的X射线发射功率和产额。

钨丝阵也有多种形式。钨丝阵的形式多种多样，有单层钨丝阵负载、双层钨丝阵负 载、铝丝阵负载，钨丝直径可小至4~5um，钨丝根数可做到3根/mm或4根/mm。

（二）包层的设计：实现增殖测重要载体。包层为承担氚自持与产生裂变核素的载体。对于混合堆的包层，主要的要求有：保 证氚自持；能有比较大的能量放大倍数、易裂变核素的总产生率发于消耗率，这样 可以有利于长时间内系统的各指标不会下降，有利于提高铀资源的利用率。

混合堆的裂变包层可显著降低系统对聚变放能规模的依赖。由于高能中子辐照减弱， 靶初始投料量减少，有助于提升整体系统的经济性。裂变包层还能提供富裕中子， 在实现氚自持的基础上进一步提高铀资源的利用效率，降低高放射性废物的产出。 针对聚变裂变结合所带来的工程复杂性问题，Z-FFR采用天然铀或压水堆乏燃料作 为裂变材料，借鉴成熟的压水堆运行经验，同时通过简化包层设计、延长燃料更换 周期、执行“简便干法”后处理等策略，进一步增强其工程实现的可行性。 将包层靠近中心螺线管的部分称为内包层，而远离的部分称为外包层。从等离子体 向外看，整个包层可分为第一壁、裂变区、产区、屏蔽层等。根据《核能未来与Z 箍缩驱动聚变裂变混合堆》（彭先觉等）中的设计，该模型中裂变区燃料共有6层， 每层中U-Zr合金与水间隔布置，中间用锆隔开；产氚区共有2层，每层均含Li4SiO4。

（三）驱动器技术：LTD 有望成为未来的主流。驱动系统的核心在于如何在极短时间内释放高功率密度电流，同时满足高频运行、 模块化部署与辐射环境兼容性。根据《核能未来与Z箍缩驱动聚变裂变混合堆》（彭 先觉等），对于聚变研究而言，驱动器需要满足如下要求: 1. 驱动器最大电流大于等于30MA，最好能达到40MA； 2. 电流上升前沿（电流由0.1Imax升至0.9Imax所需的时间）可在100~150ns之间。 对于聚变能源应用，驱动器应满足如下要求: 1. 驱动器最大电流大于等于60MA，最好能达到70MA或更大； 2. 电流上升前沿可在100~200ns之间； 3. 磁绝缘传输线长度应可在15~30m之间； 4. 实现重复频率运行，频率应≥0.1Hz，即应做到10s打靶一次； 5. 要有很长的使用寿命，电容器和开关的可靠运行次数要达到300万次以上的水平。 电容器与开关系统寿命成为关键制约。从国际发展历程看，Z箍缩驱动器技术路径大 致经历了三代演进。

1. 传统路径：电容储能+Marx/Blumlein结构。20世纪中后期至今，传统脉冲功率驱动技术以电容能量存储-多级触发放电为核心， 典型形式为Marx发生器与Blumlein脉冲形成线（PFN）。以Gamble-II与闪光-II为 代表的系统结构，其通过多级模块串并联、油水绝缘成组布局，输出电流可达兆安 级，广泛应用于实验室核爆、脉冲辐射源等早期装置。但其存在单次使用、能量效 率低、重复运行能力差等限制，不适用于Z-FFR所要求的高频驱动。

Marx发生器为增加电压输出的重要手段。Marx发生器常用作驱动源的初级储能单元， 采用正、负极性高压直流电源向每级电容器并联充电，级间开关隔离，开关闭合后 串联放电以达到电压叠加的目的。 其原理在于，当一个电路的输出电压不能满足要求时，可以将多个同样的电路（通 称模块）的输出叠加在一起，当n个电容器串联在一起时，原理上输出电压可以是电 容充电电压的n倍，电容性叠加是Marx发生器的基本原理。

2. 过渡路径：IVA感应电压叠加。感应电压叠加（IVA）为20世纪80年代提出的新路径，代表设备为Hermes-III。该 技术通过多个磁芯线圈串联感应，逐级叠加电压，实现输出功率的倍增，具备工作 电压低、模块统一性好、结构紧凑等优势。Hermes-III装置由20级感应腔构成，系 统输出能力达到18MW/800kA，在解决传统路径体积庞大、寿命受限等问题方面提 供了过渡性方案，但在寿命与模块可更换性方面仍存在不足。

3. LTD驱动有望成为未来的主流路径，开关和电容为关键部分。LTD路径由IHCE率先验证，模块化设计实现兆安级电流输出能力。为打破传统Marx 发生器脉冲形成线路复杂、触发同步困难的工程瓶颈，俄罗斯IHCE（高电流电子研 究所）在21世纪初提出了LTD （快脉冲直线变压驱动源）技术方案（根据《中物院 快脉冲直线型变压器驱动源技术研究进展》（陈林等））。

LTD采用“整合为零”的设计思路。通过多小电容串联形成的模块集成，省去脉冲 形成线与阴-阳极结构，从而实现快脉冲直接输出、目标电压零电位转换，具备高度 工程一致性与模块化扩展能力。LTD有着和Marx发生器完全不同的电路拓扑结构和 工作原理。结构上单个LTD模块由若干低电感电容器和开关组成的放电支路并联组 成，多个LTD 模块可通过串、并联方式组合。每个LTD模块相当于一个单匝初级绕 组和一个单匝次级绕组耦合组成的变压器，模块电容器通过开关放电提供初级电流， 能量通过磁芯从初级耦合到次级，在次级实现能量的叠加。 LTD的优点在于显著地降低了对开关导通能力的要求，难点在于大量开关需要同步 触发。LTD 通过采用脉冲叠加的方法，将负荷分散到多个器件，大大降低了开关和 电容器等基本器件的功率要求，既可以实现高功率，又有利于改善器件的寿命和稳 定性。然而，由于LTD模块中的开关均为并联运行，因此LTD难点就是大量开关需 要同步触发。

2001年，IHCE研制出首个快脉冲LTD模块LTD-100，电流输出达100kA；2004年进 一步推出1MA级LTD-Z模，首次在模块堆叠、同步触发、多级间隙设计等关键节点 上完成工程验证，为兆安级LTD驱动系统奠定实际可行的系统基础（《面向Z箍缩驱 动聚变能源需求的超高功率重复频率驱动器技术》（邓建军等））。

LTD重频能力获得验证，国际评价高度肯定。LTD模块的高频运行能力已通过实验 平台验证，具备工程化应用潜力。根据《核能未来与Z箍缩驱动聚变裂变混合堆》（彭 先觉等），SNL构建的500 kA LTD模块重频实验平台实现1万余次脉冲放电，重复频 率达0.1 Hz，充分证明其在高频运行下的稳定性与寿命优势。得益于结构紧凑、功 率密度高及模块化易扩展等特性，LTD技术已成为国际脉冲功率研究重点。SNL脉 冲功率中心主任Matzen认为LTD是近年来脉冲功率技术领域的重要进展，而Z-IFE 项目负责人Craig Olson则高度评价其对下一代聚变系统的工程推动意义。

中国团队已完成关键技术样机研制，标志本土化路径正式启动。根据《中物院快脉 冲直线型变压器驱动源技术研究进展》（陈林等），2005年中国工程物理研究院实 现国内首个原理验证性快脉冲LTD模块研制，模块输出电流达41.4 kA，电流上升时 间为36.8 ns，验证了模块结构的有效性与快响应能力。根据，《中物院快脉冲直线 型变压器驱动源技术研究进展》（陈林等）为了对 LTD 模块关键技术进行初步验 证，2008年，开展了输出电流为100kA的快脉冲LTD模块设计研制，100kALTD模块共由10个支路并联而成，每个支路包括1只Ⅰ型多间隙气体开关和2台100kV/20nF 电容器以及相应的传输线。10只Ⅰ型开关分为两组分别由两路触发脉冲（90kV/15ns） 触发。模块直径约1.5m，厚度为20cm。LTD腔体采用气体绝缘，当电容器充电电压 为±90kV时，在1.1Ω负载上获得的电流幅度为102.2kA，上升时间为53.6ns。

根据《中物院快脉冲直线型变压器驱动源技术研究进展》（陈林等），根据Z箍缩驱 动器概念设计，输出电流约60MA的驱动器主要由60路并联组成，其中每一路为50 个模块串联。次级在真空磁绝缘模式下实现感应电压叠加（MIVA）。串联模块之后 通过磁绝缘传输线将高功率脉冲传输至中心汇流区和负载区。单路样机即为其中一 路的主体部份（如下图所示），主要包括50个标准LTD模块（每个模块参数与Z箍缩 驱动器LTD原型模块基本相同）组成的初级功率源、次级真空磁绝缘感应电压叠加 器、匹配假负载以及相应的充电、控制触发、复位和真空等配套系统构成。50个标 准LTD模块串联，其中每10个模块构成一个组件，组件之间为过渡段。根据LTD原 型模块参数，单路样机共需要3200台100kV/100nF电容器和1600只200kV气体开关。

根据《面向Z箍缩驱动聚变能源需求的超高功率重复频率驱动器技术》（邓建军等）， Z箍缩驱动器是一种大型超高功率脉冲功率装置，要产生约60MA的驱动电流并有效 输送至负载，需要两个方面的技术支撑。 1. 产生约60MA的电流。单路功率装置难以实现，必须通过多个脉冲功率装置（电 流达到MA量级、电压数MV）同步并联放电，再经过传输和汇流来实现。 2. 将数十MA的强大电流输送至cm尺度的负载，峰值电功率可达1013~1015W。功率 流密度非常高，一般的脉冲传输技术难以满足如此极端的要求，不得不借助真空磁 绝缘传输线（MITL）来传输能量，以实现超高功率流密度电脉冲传输。

因此，大Z箍缩驱动器技术可分为两个方面，即重复频率长寿命的初级功率源技术和 超高功率流密度电脉冲真空传输技术。 1. 初级功率源。LTD本质上是一种新型电路拓扑结构，驱动器的重复频率运行能力 和寿命潜力决定于开关器件及其同步触发技术。基于目前的判断，气体火花开关在 限定电流（<20kA）的条件下，寿命可望达到106甚至更高，但开关的导通延时及其 抖动会发生较大变化。基于低气压放电机理的气体开关（氢闸流管、赝火花开关和 BLT）在重复频率长寿命性能方面具有独特的潜力，不足之处在于“个性较强”， 即每个开关由于个体差异导致触发控制条件均有所不同，要想精确同步，每个开关 都需配置独立的触发控制系统，而开关的触发控制系统本身较为复杂，所以整个触 发控制系统将极为庞杂。长远来看，半导体开关器件用于大型驱动器是大势所趋， 半导体开关器件目前的问题在于功率容量低、电流上升速率低且价格昂贵。 2. 超高功率流密度脉冲真空传输技术。包括以下几个方面: （1）长距离磁绝缘传输问题。在实际工程设计中，由于中心汇流区的存在，跨度数 m甚至数十m的MITL，中心电极的定位问题无法回避，需要进一步的工程验证。

（2）电流密度极限问题，Z-FFR负载区线电流密度不超过3MA/cm，未超越ZR装置 负载区最高线电流密度，俄罗斯和美国针对该问题进行过专门的分解实验研究，在 线电流密度达7MA/cm条件下磁绝缘传输线仍可有效传输脉冲，所以该问题已在相当 程度得到验证。 （3）真空功率汇流结构问题，从聚龙一号和ZR的实践看，多路加多层两级汇流的 方式，在目前的电流水平下已经获得很好的效率，但是柱孔结构从原理上无法避免 零磁场区域的存在，因此必然存在能量的损失，在更高的电流密度下，柱孔汇流的 效率问题还需要深入研究，探索其他可能的汇流方式也是十分必要的。 （4）磁绝缘传输线间隙闭合问题，磁绝缘传输线间隙闭合与等离子体的扩散速度直 接相关，目前研究表明扩散速度为100~101cm/μs量级，影响因素复杂。对于脉冲 前沿一定的装置，MITL间隙闭合的速度影响到电极间隙的选取，在Z-FFR工作条件 下面临脉冲加长、电流增大的情况，需要重点关注平衡靶物理设计和驱动电流前沿 的选取，在进行深入物理机制研究的基础上进行优化设计。