中國工程物理研究院院士彭先覺：談談核聚變能

2016/11/24 11:01:24

對于核聚變能，人們一直寄予著美好的希望，認為這是一種清潔、干凈的核能，其資源可取之不盡、用之不竭，是人類的終極能源。這一認識寫進了教科書，甚至寫進了國內各種級別的能源發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，并吸引著許許多多的科學家為實現這一理想而奮斗著。本人也從事核聚變能研究多年，對聚變能的未來前景作過較為認真的思考。這里我把我的一些看法談出來，供大家參考。

我的看法之一是，能源也是一種商品，某種能源能否獲得青睞，就看它是否優(yōu)質優(yōu)價。一種能源的優(yōu)劣，我們可用安全性、經濟性、持久性和環(huán)境友好性來進行評價。理論上看，作為未來可支撐人類長期生存發(fā)展的能源有太陽能，核能中的快堆、聚變堆和聚變裂變混合堆。太陽能的優(yōu)勢是安全性、持久性(光伏電站的持久性將取決稀有金屬元素儲量及可回收性)和環(huán)境友好性。劣勢是間歇性、分散性和經濟性，能否成為穩(wěn)定的規(guī)模能源(如保證大城市的能源供應)，則取決于儲能技術的發(fā)展，而儲能則是技術上的大難題，并將嚴重影響它的經濟性。核能的重要優(yōu)勢是穩(wěn)定、持續(xù)、規(guī)�；�。核能中的快堆，可把鈾資源的利用率提高至60%左右，即使是地球陸地上的資源，也可單獨維持人類能源供給千年以上，故是一種持久能源。劣勢是經濟性不很好，技術上依賴于鈾、钚核燃料核循環(huán)，并對環(huán)境有一定的影響;其安全性大致與壓水堆相當，但運行中要更加小心。聚變能，就當前來說還是科學技術上的一大難題。實現聚變的主要途徑有磁約束和慣性約束，慣性約束聚變必須有驅動器來創(chuàng)造條件，最有可能的驅動器是激光器和Z-箍縮驅動器。但無論是哪種途徑，經濟性都很差。以規(guī)模為百萬千瓦電功率計，對Tokamak型磁約束商用電站而言，其造價將超過100億美元，且運行控制難度大，發(fā)出的電有近50%將自耗(Q值小于3)。目前來看，還有諸多的問題，如氚自持、等離子體破裂、材料抗輻照能力等都存在著一定的技術風險。對激光聚變，秒級重復頻率運行的激光器是最大困難，其造價將遠超100億美元。對Z-箍縮驅動聚變也是如此，現在驅動器的運行頻率是0.1Hz，要10臺以上的驅動器并聯才能建成一個電站，因此電站的造價也將超過100億美元。而且無論是激光還是Z-箍縮，能量生產效率都較低(Q值小于5)。所以，我們說，純聚變電站不是一種有競爭力的能源。聚變裂變混合堆則是解決聚變應用于能源的有效途徑。以Z-箍縮驅動的聚變裂變混合堆(Z-FFR)為例，它以裂變放能為主，聚變只占總功率的5%左右，這就大大降低了聚變作為能源應用的要求;對裂變堆而言，由于高能聚變中子的加入，通過巧妙的設計，可以更發(fā)揚其長處，改善甚至去除其缺點，使之成為一種優(yōu)質能源。概念研究表明，一個堆只需一臺驅動器;裂變堆以金屬天然鈾鋯合金為核燃料，水作傳熱、慢化介質，可實現10倍以上的能量放大，并能實現易裂變核素的增值，因而可用“干法”進行核燃料循環(huán)，放射性核廢料每年僅200kg左右;5年換料，換料時可加入5t貧鈾或釷繼續(xù)燃燒，鈾資源的利用率達90%以上，故這種方式可單獨維持人類數千年的能源供給。此外，更重要的是它安全性極好，裂變堆始終處于深次臨界狀態(tài)，不會有臨界安全事故，且可容易設置幾種非能動余熱安全系統(tǒng)，因此可以說，從根本上解決了核能的安全性問題。這種堆造價估計在30億美元左右，經濟性和環(huán)境友好性都很好。所以，未來的能源將會在太陽能、快堆和Z-FFR之間競爭。

我的看法之二是，聚變也難以(或基本不可能)成為取之不盡、用之不竭的能源。當前的聚變，都是以氫的同位素氘、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，主要用中子轟擊鋰-6產生。因此，可開發(fā)利用的聚變能量就取決于鋰-6的儲存量。從目前地質勘探的情況看，陸地聚變能的存儲量，僅為陸地鈾裂變能儲存量的三分之一左右，故以氘氚為燃料的核聚變能不可能長期支持人類的能源供給。原本意義的取之不盡，主要是寄希望于氘氘聚變。但除核爆的方式外，其他方式的氘氘聚變能從物理上講，幾乎不可能。我們先看磁約束方式，由于氘氘聚變反應速率比氘氚低近兩個量級，要實現氘氘聚變，必須較大幅度提高燃燒等離子體的溫度和密度，增加對等離子體的約束時間。這樣做，帶來的工程、材料等的困難且不說，加熱等離子體的功率恐怕有數倍的提高，于是電站不可能有能量輸出。慣性約束聚變情況也一樣。從靶丸壓縮的角度看，即使用更多的能量來壓縮，壓縮度不可能有明顯提高。要使氘氘燒起來，只有成量級增加聚變燃料的質量，而要求驅動器提供的能量則需提高近兩個數量級。這樣的系統(tǒng)，能量增益會遠小于1，根本談不上作能源。所以終極能源的說法，僅僅是一種美麗幻想，甚至是一種誤導。

我的看法之三是關于“干凈性問題”。核能都會產生放射性，純聚變也不例外。因此，“干凈”不是一個絕對的概念，關鍵是放射性物質產生的數量和形態(tài)，能否方便對它進行有效的控制和管理，使之不對人類和人類的生存環(huán)境造成傷害，且經濟代價適當。無疑，裂變產生的放射性物質數量比聚變多，但如果像我們前面提到的Z-FFR，由于采用“干法”處理，每年核廢料量僅200kg左右，處理起來將很方便，不會有太多難處。因此，我們認為，對裂變堆放射性問題的討論，要視具體情況，不能一概而論。