彭先觉:核能利用研究的先行者
发表时间 2018-10-09 16:48 来源 本站原创

  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。中国工程院院士彭先觉从事核聚变能研究多年,对聚变能的未来前景作过非常认真的研究和思考,其见解具有重要意义。他1993年开始关注我国核爆炸的和平利用问题。1996年与合作者一起提出了“核爆聚变电站的概念设想”,并形成了较为完整的核爆聚变电站的设想方案,拓展了人类解决能源问题的思路。2001年关注Z-箍缩聚变,成为中国工程物理研究院Z-箍缩聚变研究的技术负责人,2008年提出“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)”概念,并已领导团队进行了近十年的深入研究,结论:这是一种最有竞争力的未来千年能源。

  彭先觉,中国工程物理研究院原科技委主任,研究员,中国工程院院士。1941年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。1999年当选为中国工程院能源与矿业工程学部院士。

  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

  能源也是一种商品,某种能源能否获得青睐,就看它是否优质优价。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。太阳能的优势是安全性、持久性(光伏电站的持久性将取决稀有金属元素储量及可回收性)和环境友好性。劣势是间歇性、分散性和经济性,能否成为稳定的规模能源(如保证大城市的能源供应),则取决于储能技术的发展,而储能则是技术上的大难题,并将严重影响它的经济性。核能的重要优势是稳定、持续、规模化。核能中的快堆,可把铀资源的利用率提高至60%左右,即使是地球陆地上的资源,也可单独维持人类能源供给千年以上,故是一种持久能源。劣势是经济性不很好,技术上依赖于铀、钚核燃料核循环,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,惯性约束聚变必须有驱动器来创造条件,最有可能的驱动器是激光器和Z-箍缩驱动器。但无论是哪种途径,经济性都很差。以规模为百万千瓦电功率计,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,现在驱动器的运行频率是0.1Hz,要10台以上的驱动器并联才能建成一个电站,因此电站的造价也将超过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左右)。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,Z-FFR是人类未来规模能源最强有力的竞争者

  聚变与裂变的巧妙结合,是核能应用的有效途径。可以利用裂变技术解决聚变难题,利用聚变技术克服裂变瓶颈,实现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、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,这就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加入,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,更重要的是它安全性极好,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,因此可以说,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将具有作为规模能源的明显优势。

  第三,聚变也难以(或基本不可能)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。原本意义的取之不尽,主要是寄希望于氘氘聚变。但除核爆的方式外,其他方式的氘氘聚变能从物理上讲,几乎不可能。我们先看磁约束方式,由于氘氘聚变反应速率比氘氚低近两个量级,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密度,增加对等离子体的约束时间。这样做,带来的工程、材料等的困难且不说,加热等离子体的功率恐怕有数倍的提高,于是电站不可能有能量输出。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。要使氘氘烧起来,只有成量级增加聚变燃料的质量,而要求驱动器提供的能量则需提高近两个数量级。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”不是一个绝对的概念,关键是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,但如果像我们前面提到的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,相对于Z-FFR而言,纯聚变在“干净”性上的优势已非常有限。

  以上见解,是一家之言,但也是一种较为科学的务实的判断。

  总之,我们应该非常有信心期望一种未来新型核能源—Z-FFR的诞生。