期待新型核能早日造福全人類

——訪中國工程院院士 彭先覺

文/李梅

核聚變能,吸引著全球科學家為實現(xiàn)這一理想而奮斗著。作為我國老一輩核能物理學家,中國工程院院士彭先覺從事核聚變能研究多年,參加過我國第一顆氫彈的自主研制工作,對核聚變能未來前景有非常深入的研究和思考,他的見解新穎且具有重要的科學價值,記者就此采訪了彭院士。

**記者:**當前,不可再生的化石能源,包括石油煤炭天然氣等等,都將在百年之內面臨枯竭。而可再生能源,如太陽能和風能,能否成為未來基荷能源的主力尚存在許多不確定性。人類未來能源的一條重要出路就是核能。那么,核能真的能承擔起未來能源的重任嗎?

彭先覺**:**一種能源的優(yōu)劣,我們可用安全性、經(jīng)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。

相比太陽能的間歇性、分散性和受儲能影響的經(jīng)濟性等劣勢,核能的重要優(yōu)勢是穩(wěn)定、持續(xù)、規(guī)?；Ｇ医?jīng)濟性好,使用的地球資源最少,是人類最理想的未來能源。

核能中的快堆,可把鈾資源的利用率提高至60%左右,可單獨維持人類能源供給千年以上,故是一種持久能源。它的劣勢是經(jīng)濟性不很好(但作為基荷能源,仍遠優(yōu)于光電和風電),技術上依賴于鈾、钚核燃料循環(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(xiàn)聚變的主要途徑有磁約束和慣性約束,但這些途徑經(jīng)濟性都很差。以規(guī)模為百萬千瓦電功率計算,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%將用于自耗。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。其次還有一些激光應用于能源時所面臨的材料、環(huán)境方面的困難。

對Z-箍縮驅動聚變也是如此,純聚變電站的造價將超過100億美元,且也將面臨長期穩(wěn)定運行方面的困難。而且無論是激光還是Z-箍縮,能量生產(chǎn)效率都較低。所以,純聚變電站經(jīng)濟性都不好,還存在一定的技術風險,不是一種有競爭力的未來能源。

**記者:**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,您對此有什么看法?

彭先覺**:**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(chǎn)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。除核爆的方式外,其他方式的氘氘聚變能從物理上講(氘氘反應太慢)幾乎不可能。

先看磁約束方式,要實現(xiàn)氘氘聚變,必須較大幅度提高燃燒等離子體的溫度和體積,增加對等離子體的約束時間,其在工程、材料等方面的困難且不說,加熱等離子體的功率需有10倍以上的提高(且加熱系統(tǒng)的功率要遠大于聚變功率),于是電站根本不可能有能量輸出。

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。與氘氚非平衡燃燒相比,氘氘(只能平衡燃燒)反應速率要低3個數(shù)量級。要使氘氘燒起來并放出同樣規(guī)模的能量,聚變燃料的質量需增加2個量級,而要求驅動器提供的能量則需提高2個數(shù)量級以上。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。

**記者:**我們了解到您從1993年開始關注我國核能的和平利用問題。1996年您與合作者一起提出了“核爆聚變電站的概念設想”,并形成了較為完整的核爆聚變電站的設想方案路。2001年您關注了Z-箍縮聚變,成為中國工程物理研究院Z-箍縮聚變研究的技術負責人。2008年您提出“Z-箍縮驅動聚變裂變混合堆(Z-FFR)”概念,并領導團隊進行了多年的深入研究。那么,您認為Z-FFR是一種最有競爭力的未來能源嗎?

**彭先覺:**聚變與裂變的結合,可以利用裂變技術解決聚變能規(guī)模難題,利用聚變技術克服裂變關鍵技術瓶頸,從而可巧妙地實現(xiàn)核能綜合性能的突破性提高。以Z-箍縮來驅動慣性約束聚變,具有驅動器原理和結構簡明、造價低廉、能量轉換效率高的優(yōu)勢。

Z-FFR,以裂變放能為主,聚變只占總功率的5%左右,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不斷加入,堆可以工作在深次臨界狀態(tài)。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(xiàn)10倍以上的能量放大,并能實現(xiàn)易裂變核素的增值,因而可用“干法”進行核燃料循環(huán),出堆的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(shù)千年的能源供給。

此外,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),從根本上解決了核能的安全性問題,這也為分布式核能源格局奠定了基礎。這種堆造價估計在30億美元左右,經(jīng)濟性和環(huán)境友好性都很好。所以,未來的基荷能源將會在太陽能、快堆和Z-FFR之間競爭,而Z-FFR將具有作為基荷能源的明顯優(yōu)勢。

由于安全性的完滿解決,Z-FFR可靠近城市建造,因而可方便地實現(xiàn)熱電聯(lián)供,從而可較大幅度提高能量的利用效率。由于能源供應非常充足、且價格便宜,人類還可以把它用于海水淡化、高效農牧業(yè)、食物合成等,這將極大地改變人類的生產(chǎn)方式和生存環(huán)境。

目前,聚變-裂變混合堆尚處于規(guī)劃實施階段,預計2028年進行聚變技術驗證,2035年將進行100萬千瓦電站工程演示,2040年左右實現(xiàn)商業(yè)應用。

我們期待著新型核能源—Z-FFR的早日誕生,也期望著真正原子能時代的早日到來。

**記者:**您在“核爆聚變電站的概念設想”中提出:可以把核裝置的爆炸威力作到10ktTNT當量級,聚變份額大于90%,更為重要的是要實現(xiàn)燒氘,可以把人類的供能時間提高至萬年以上(其他核能源的供能時間都只有幾百年或千年左右);通過爆洞和噴鈉方式可以把爆炸能量安全地轉變?yōu)闊崮芎碗娔?可以利用爆炸釋放的大量中子把釷-232變成鈾-233,把鈾-238變成钚-239,可以實現(xiàn)裂變材料的循環(huán)和增殖,并可以把大量獲得的鈾和钚用于熱中子核反應堆。您是否認為未來能源應是核能與可再生能源形成的共生智慧能源系統(tǒng)?

彭先覺**:**對電站而言,最重要的幾個指標是,建造成本、平均每年發(fā)電量、平均每年的維護運行成本和使用壽期。對熱中子電站,維護運行成本較低,光伏電站也是如此,故可以先忽略維護運行成本,以建造成本除以半壽期發(fā)出的總電量算作基礎電價,然后進行比較。

對于太陽能電站,建造一個百萬千瓦電站花費約70億元人民幣,每年發(fā)電約1500小時(相當全功率發(fā)電小時數(shù)),全壽期30年,故算出基礎電價為0.31元/kWh。

對三代核電站,建造一個百萬千瓦電站花費約200億元,每年發(fā)電約7500小時,全壽期60年,在先忽略乏燃料處理費用的條件下(未來這一任務可由Z-箍縮聚變裂變混合堆或快堆來完成),可算出基礎電價為0.089元/kWh。故在光伏電站不考慮儲能,核電站在不考慮后處理的條件下,核電成本價格只有光伏電的三分之一左右(這一點為當前電價成本價估計所認同)。

作為基荷能源,光伏電站必須考慮儲能問題。方法之一是用性能較優(yōu)良的鋰電池儲能。一般來說,總得要有2-3天的發(fā)電儲量。而其儲能的花費甚至遠超光伏建造成本,初步分析如下:

以鋰電池的儲能中,電池價格700元/kWh計(連同上網(wǎng)設施,要大于1000元/kWh),100萬千瓦儲能2天(48h×106kW)需花費約500億元,分給5個100萬千瓦電站,每個100億元,即每個100萬千瓦光伏電站的初始造價就得翻1.5倍。而光伏電站的壽命30年,鋰電池壽命只有5-7年(充放電1500-2000次),在電站全壽期內要更換3-5次儲能電池,即使按3次計,每個光伏電站作為基荷能源的成本還得再翻倍,達到370億元/百萬千瓦以上的水平,而發(fā)電量只有核電站的五分之一,故鋰電池電站成本將超核能電站一個量級以上。

另一種解決儲能的辦法是制氫,其路線是:光伏電站 → 電解水制氫 → 儲運氫氣 → 氫燃料電池發(fā)電;或者→ 氫氧燃燒作驅動能源。

第一條路線在光伏電站之上要增加制氫成本、儲運氫成本、氫燃料電池發(fā)電成本。從這個過程來看,制氫的能量效率約60%左右,氫燃料電池的能量效率為80%左右,故此過程電能要損失一半以上。而制氫和氫燃料電池的成本都非常高昂。

第二條路線能量損失的比例將更大(內燃機效率小于30%),總的能量效率只有20%左右,安全性也較差。

此外,可再生能源,包括光伏和風電,都需要占用大量的地球資源(如土地、特殊金屬等),對環(huán)境也會造成一定的影響。

對未來核能來說,若四代快堆建成,建堆成本若能控制在400億元以內,則較之可再生能源經(jīng)濟上仍然會有很強的優(yōu)勢。

若Z-箍縮聚變裂變混合堆成功,它一個堆的建造成本約200億元,而發(fā)電可達100-200萬千瓦,堆址使用壽命將超100年,還具有固有安全本質,核廢料更少且易處理,可以抵近城市建造,容易實現(xiàn)熱電聯(lián)供,因而經(jīng)濟性較之三代堆有大幅提高,作為基荷能源,與可再生能源相比成本將有量級的差別。

核能應該成為未來基荷能源的主力,國家應逐步樹立核電作為未來主力基荷能源的目標。未來的能源應是實現(xiàn)輸出功率大幅可調的核能,與不需額外大的儲能系統(tǒng)的可再生能源(輸出電能隨時間變化可預測)形成的共生智慧能源系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)在保證電網(wǎng)安全的條件下,既大幅降低了成本,又大幅擴大了能源的資源,應該是未來能源的理想配置。

記者: 您認為核能“干凈”嗎?

彭先覺: 核能都會產(chǎn)生放射性,純聚變也不例外。因此,“干凈性”主要指放射性物質產(chǎn)生的數(shù)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(jīng)濟代價適當。

無疑,裂變產(chǎn)生的放射性物質數(shù)量比聚變多,但Z-FFR由于采用“干法”處理,每年出堆的核廢料量已很少,且氣化分離出來放射性物質還可利用起來,真正要處理廢物極少,處理起來將非常容易,其他的放射性核素特別是反應產(chǎn)生的次錒系元素等長壽命核素都會在堆中被焚燒掉。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。也就是說,相比于純聚變,Z-FFR在“干凈性”上并沒有明顯的劣勢和問題。

院士簡介:

彭先覺,1941年出生于湖南湘潭易俗河煙塘村。1959年考入哈爾濱軍事工程學院原子能工程系,因成績優(yōu)異,畢業(yè)后分配到核工業(yè)部九院理論部從事核武器的研制設計工作,承擔了多個重要研制型號的設計任務,并在各類核武器研制、設計中有多項發(fā)明創(chuàng)造,是二代氫.彈次級(也稱氫.彈主體)技術路線的提出者。

彭先覺為我國尖端武器設計達到世界先進水平做出了突出貢獻,并因此先后榮獲國家和部委級科技進步獎多項、1994年獲國家有突出貢獻中青年專家稱號、1992年獲光華科技基金一等獎,1997年獲何梁何利基金科技進步獎。

1991年,彭先覺被任命為研究所副所長,1995年起又調至中物院任副總工程師,同時兼任上級主管部門的兩個核試驗專家組組長之一。

1993年起,他開始關注核爆炸和平利用問題,并與合作者一起提出了“核爆聚變電站的概念設想”。1999年,彭先覺當選為中國工程院能源與礦業(yè)工程學部院士。2001年,他成為了中國工程物理研究院Z-箍縮研究的技術負責人。2007年受國家科技部聘請,擔任國家磁約束聚變專家委員會主任。2008年秋,提出了“Z-箍縮驅動聚變裂變混合堆”的創(chuàng)新概念,并領導團隊進行了深入的概念研究,認為“Z-箍縮聚變裂變混合堆”在物理、技術、工程、材料方面不存在不可逾越的障礙。