中国工程院院士彭先觉,从事核聚变能研究多年。他最早提出了“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,彭院士开始关注Z-箍缩聚变,并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,并带领团队对Z-FFR系统各个重要环节进行了十多年深入的理论研究和分解实验研究,认为在物理、技术、工程、材料等方面,不存在不可逾越的困难,有望成为未来最具竞争力的能源系统。不久前,记者采访了彭先觉院士,结合多年来的研究和思考,他向记者阐述了对聚变能未来发展的独到见解。
核能是人类未来的理想能源,而纯聚变电站,难以成为有竞争力的能源系统
一直以来,人们觉得核聚变能是一种清洁、干净的核能,其资源可取之不尽、用之不竭,可能是人类的终极能源。
但彭院士认为,能源既然是一种商品,能否获得市场青睐,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。”彭院士说,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,能否成为稳定的基荷能源(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和广泛应用性。
核能的重要优势是稳定、持续、规模化,消耗的地球资源最少,是人类未来的理想的基荷能源。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,纯聚变电站经济性都很差。以规模为百万千瓦电功率计,对Tokamak型磁约束纯聚变电站而言,其商业化应用是最大障碍。首先是建造费用高昂,其造价将超过100亿美元,为Z-FFR和快堆数倍,且运行控制难度大,发出的电有近50%将自耗,经济上完全没有竞争力。其次是商业应用时,如氚自持、等离子体大破裂、材料抗辐照能力等都存在着很大的技术风险,目前尚未找到解决问题的途径。对激光聚变,秒级重复频率运行的激光器是最大困难,其造价将远远超过100亿美元;同时还有一些激光应用于能源时所面临的材料(如倍频晶体、窗口玻璃等)、靶室及靶室内环境方面的巨大困难。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台以上的聚变单元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,能量生产效率都不高。“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。”彭院士说。
再者,实现聚变商业能源,其热核燃料只能是氘氚,其他的如氘氘、氘氦-3、氢硼等都不可能做能源。因为要实现聚变燃烧,都有输入的能量大于输出的能量,即系统的能量增益小于1,不可能成为能源系统。因此寄托于烧氘达到资源取之不尽用之不竭的理想是不能实现的,也就是说,聚变不能成为人类的终极能源。
Z-FFR是未来基荷能源最强有力的竞争者
彭院士告诉记者,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。
他以Z-箍缩来驱动惯性约束聚变为例说,这种方法具有驱动器原理、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并使其成为可能;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(如无超临界事故、不需要铀浓缩技术、核废料极少),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(或热堆乏燃料)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,因而可用简单“干法”进行核燃料循环,出堆的放射性核废料每年仅200kg左右,而且容易取出多种放射性同位素作工业、医疗应用;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乃至万年的能源供给。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。再有就是,Z-FFR可与热堆形成共生能源系统,能用热堆废料(乏燃料与浓缩时产生的大量贫铀)来做裂变包层,用先进技术解决热堆乏燃料处理难题;由于其输出功率可大幅调节,也可与可再生能源形成智慧能源系统,使电网可接纳更多的光伏、风能电,并可大幅减小储能成本。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将具有作为基荷能源的明显优势。”
彭先觉院士与夫人合影
核能“干净”,这并不是一个绝对的概念
彭院士认为,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。”
