对于核聚变能,人们一直寄予着美好的希望,认为这是一种清洁、干净的核能,其资源可取之不尽、用之不竭,是人类的终极能源。这一认识写进了教科书,甚至写进了国内各种级别的能源发展战略和规划,并吸引着许许多多的科学家为实现这一理想而奋斗着。彭先觉院士经多年研究得出的看法是:这仅是一种美好愿望,实际是不可能实现的。
中国工程物理研究院原科技委主任、中国工程院院士彭先觉从1993年开始关注我国核能的和平利用问题,多年来积极开拓、勇于创新,他提出的“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)”概念,把聚变和裂变巧妙地结合起来,充分发扬了聚变和裂变各自的优点,并克服甚至去除了其缺点,使之成为未来最具竞争力的千年能源系统。彭先觉院士带领团队进行了十多年的深入研究并得出结论:这是一种最有竞争力的未来千年能源。
心忧人类命运 积极开拓创新
众所周知,人类目前可知和可预见的未来的发展,都严重受制于能源。不可再生的化石能源,包括石油煤炭天然气等等,都将在百年之内面临枯竭。而可再生能源,如太阳能和风能,能否成为未来基荷能源的主力尚存在许多不确定性。人类未来能源的一条重要出路就是核能。而一切攸关人类前途命运的事业,全在创新之中。
1941年,彭先觉院士出生于湖南湘潭易俗河烟塘村,1959年考入哈尔滨军事工程学院原子能工程系,因成绩优异,毕业后分配到核工业部九院理论部从事核武器的研制设计工作,承担了多个重要研制型号的设计任务,并在各类核武器研制、设计中有多项发明创造,是二代氢弹次级(也称氢弹主体)技术路线的提出者。
身为核武器的研究设计者,彭先觉院士却并不希望有朝一日将这种武器用于战争,而是希望用它来保卫世界和平,并更盼望着能够利用核爆炸技术为人类未来的生存与发展作出重要贡献。从1993年起,他开始关注核爆炸和平利用问题,在考察和研究之后与合作者一起提出了“核爆聚变电站的概念设想”,并且得出解决问题的相应技术途径。1999年,彭先觉当选为中国工程院能源与矿业工程学部院士。2001年,他成为了中国工程物理研究院Z-箍缩研究的技术负责人。2007年受国家科技部聘请,担任国家磁约束聚变专家委员会主任。2008年秋,基于在核武器聚变技术、Z-箍缩、核能等方面长期研究积累的知识和探索研究所获得成果,他提出了“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆”的创新概念,并领导团队进行了深入的概念研究,认为,该技术路线,没有物理、技术、工程、材料方面不可逾越的障碍。团队组织开展了多种形式的学术讲座和论坛交流活动,推动了科技界对这一创新概念的理解和支持,同时也得到了国家的基本认可
坚守科研一线 得出务实判断
近年来,彭先觉院士通过对核能及聚变能源的研究,得出了一些十分重要的认识:
第一,纯聚变电站,难以成为有竞争力的未来能源。
一种能源的优劣,我们可用安全性、经济性、持久性和环境友好性来进行评价。理论上看,作为未来可支撑人类长期生存发展的能源有太阳能,核能中的快堆、聚变堆和聚变裂变混合堆。相比太阳能的间歇性、分散性和受储能影响的经济性等劣势,核能的重要优势是稳定、持续、规模化,且经济性好。核能中的快堆,可把铀资源的利用率提高至60%左右,可单独维持人类能源供给千年以上,故是一种持久能源。它的劣势是经济性不很好(但作为基荷能源,仍远优于光电和风电),技术上依赖于铀、钚核燃料循环,并对环境有一定的影响;其安全性大致与压水堆相当,但运行中要更加小心。聚变能,就当前来说还是科学技术上的一大难题。实现聚变的主要途径有磁约束和惯性约束,但这些途径经济性都很差。以规模为百万千瓦电功率计算,对Tokamak型磁约束商用电站而言,其造价将超过100亿美元,且运行控制难度大,发出的电有近50%将自耗(电站能量增益Q值小于3)。目前来看还有诸多的问题,如氚自持、等离子体破裂、材料抗辐照能力等都存在着一定的技术风险。对激光聚变,秒级重复频率运行的激光器是最大困难,其造价将远超100亿美元;其次还有一些激光应用于能源时所面临的材料、环境方面的困难。对Z-箍缩驱动聚变也是如此,电站的造价将超过100亿美元,且也将面临长期稳定运行方面的困难。而且无论是激光还是Z-箍缩,能量生产效率都较低(Q值5-10)。所以,我们说,纯聚变电站经济性都不好,还存在一定的技术风险,不是一种有竞争力的未来能源。
第二,聚变也不可能成为取之不尽、用之不竭的能源。
当前的聚变,都是以氢的同位素氘、氚作燃料,而氚是放射射性核素,半衰期12.3年,自然界不存在,主要用中子轰击锂-6产生。因此,可开发利用的聚变能量就取决于锂-6的储存量。从目前地质勘探的情况看,陆地聚变能的存储量仅为陆地铀裂变能储存量的三分之一左右,故以氘氚为燃料的核聚变能不可能长期支持人类的能源供给。除核爆的方式外,其他方式的氘氘聚变能从物理上讲(氘氘反应太慢)几乎不可能。先看磁约束方式,要实现氘氘聚变,必须较大幅度提高燃烧等离子体的温度和体积,增加对等离子体的约束时间,其在工程、材料等方面的困难且不说,加热等离子体的功率需有10倍以上的提高(即加热系统的功率要远大于聚变功率),于是电站根本不可能有能量输出。惯性约束聚变情况也一样。从靶丸压缩的角度看,即使用更多的能量来压缩,压缩度不可能有明显提高。与氘氚非平衡燃烧相比,氘氘(只能平衡燃烧)反应速率要低3个数量级。要使氘氘烧起来并放出同样规模的能量,聚变燃料的质量需增加2个量级,而要求驱动器提供的能量则需提高2个数量级以上。这样的系统,能量增益会远小于1,根本谈不上作能源。所以终极能源的说法,仅仅是一种美丽幻想,甚至是一种误导。
第三,Z-FFR是人类未来规模能源最强有力的竞争者。
聚变与裂变的结合,可以利用裂变技术解决聚变能规模难题,利用聚变技术克服裂变关键技术瓶颈,从而可巧妙地实现核能综合性能的突破性提高。以Z-箍缩来驱动惯性约束聚变,具有驱动器原理和结构简明、造价低廉、能量转换效率高的优势。Z-FFR,以裂变放能为主,聚变只占总功率的5%左右,大大降低了聚变作为能源应用的要求;对裂变堆而言,由于高能聚变中子的不断加入,堆可以工作在深次临界状态。通过巧妙的设计,可以更发扬其长处,改善甚至去除其缺点,使之成为一种优质能源。概念研究表明,一个堆只需一台驱动器;裂变堆以金属天然铀锆合金为核燃料,水作传热、慢化介质,可实现10倍以上的能量放大,并能实现易裂变核素的增值,因而可用“干法”进行核燃料循环,出堆的放射性核废料每年仅200kg左右;5年换料,换料时可加入5t贫铀或钍继续燃烧,铀资源的利用率达90%以上,故这种方式可单独维持人类数千年的能源供给。此外,它安全性极好,裂变堆始终处于深次临界状态,不会有临界安全事故,且可容易设置几种非能动余热安全系统,从根本上解决了核能的安全性问题,这也为分布式核能源格局奠定了基础。这种堆造价估计在30亿美元左右,经济性和环境友好性都很好。所以,未来的基荷能源将会在太阳能、快堆和Z-FFR之间竞争,而Z-FFR将具有作为基荷能源的明显优势。
第四,关于核能的“干净性”问题。
核能都会产生放射性,纯聚变也不例外。因此,“干净性”主要指放射性物质产生的数量和形态能否方便对它进行有效的控制和管理,使之不对人类和人类的生存环境造成伤害,且经济代价适当。无疑,裂变产生的放射性物质数量比聚变多,但Z-FFR由于采用“干法”处理,每年出堆的核废料量已很少,处理起来将比较方便,其他的放射性核素特别是反应产生的次錒系元素都会在堆中被焚烧掉。因此,我们认为,对裂变堆放射性问题的讨论,要视具体情况,不能一概而论。也就是说,相比于纯聚变,Z-FFR在“干净性”上并没有明显的劣势。
后记
作为我国老一辈核能物理学家,在他的科研生涯中,彭先觉不仅见证了新中国成立以来的繁荣与发展,而且始终想的是为祖国建设和人类未来的生存和发展贡献智慧与力量。他用他的成绩在中国核能物理史上画上了浓墨重彩的一笔。我们都期待着新型核能源—Z-FFR的早日诞生,也期望着真正原子能时代的早日到来。
