核能利用研究的先行者 — 彭先觉院士

彭先觉，核武器物理及核能专家。1941年生于湖南湘潭。1964年从哈尔滨军事工程学院毕业后分配至二机部九院理论部从事核武器的理论研究及设计工作。1999年起任院科技委主任，同年当选为中国工程院院士。1993年起兼任原国防科工委核试验专家组组长(两组长之一)，2002年起兼任总装备部科技委兼职委员、核武器技术专业组组长。2007年10月被科技部聘为国家磁约束聚变专家委员会主任。现为中国工程物理研究院研究员、博士生导师。

多年从事氢弹型号的理论研究与设计，领导完成了几个重要型号氢弹次级(也即氢弹主体)的物理设计，并使其性能有大幅提高，是其中几项关键设计思想的提出者，是我国氢弹次级设计达到世界先进水平的主要贡献者之一。曾获科学大会奖，国家科技进步一等奖3项、二等奖2项、三等奖2项及部委级奖多项；1994年获国家有突出贡献中青年专家称号，1992年获光华科技基金一等奖，1997年获何梁何利基金科技进步奖。

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。2008年，基于他在核武器、Z-箍缩、聚变裂变能等方面长期研究积累的知识，提出了Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆的创新概念，并领导团队进行了十多年的深入研究。研究认为，这是未来有竞争力的千年能源。

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，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。