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    中國工程物理研究院院士彭先覺:談談核聚變能

    2016/11/24 11:01:02

    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展戰略和規劃,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,就看它是否優質優價。一種能源的優劣,我們可用安全性、經濟性、持久性和環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)和環境友好性。劣勢是間歇性、分散性和經濟性,能否成為穩定的規模能源(如保證大城市的能源供應),則取決于儲能技術的發展,而儲能則是技術上的大難題,并將嚴重影響它的經濟性。核能的重要優勢是穩定、持續、規;。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,并對環境有一定的影響;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,可以更發揚其長處,改善甚至去除其缺點,使之成為一種優質能源。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,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,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,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,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,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。

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