中國工程物理研究院院士彭先覺：談?wù)労司圩兡?/h1>

2016/11/24 11:01:24

對(duì)于核聚變能，人們一直寄予著美好的希望，認(rèn)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(rèn)識(shí)寫進(jìn)了教科書，甚至寫進(jìn)了國內(nèi)各種級(jí)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(xué)家為實(shí)現(xiàn)這一理想而奮斗著。本人也從事核聚變能研究多年，對(duì)聚變能的未來前景作過較為認(rèn)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(zhì)優(yōu)價(jià)。一種能源的優(yōu)劣，我們可用安全性、經(jīng)濟(jì)性、持久性和環(huán)境友好性來進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(chǔ)量及可回收性)和環(huán)境友好性。劣勢是間歇性、分散性和經(jīng)濟(jì)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(yīng))，則取決于儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，而儲(chǔ)能則是技術(shù)上的大難題，并將嚴(yán)重影響它的經(jīng)濟(jì)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(dú)維持人類能源供給千年以上，故是一種持久能源。劣勢是經(jīng)濟(jì)性不很好，技術(shù)上依賴于鈾、钚核燃料核循環(huán)，并對(duì)環(huán)境有一定的影響;其安全性大致與壓水堆相當(dāng)，但運(yùn)行中要更加小心。聚變能，就當(dāng)前來說還是科學(xué)技術(shù)上的一大難題。實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)器來創(chuàng)造條件，最有可能的驅(qū)動(dòng)器是激光器和Z-箍縮驅(qū)動(dòng)器。但無論是哪種途徑，經(jīng)濟(jì)性都很差。以規(guī)模為百萬千瓦電功率計(jì)，對(duì)Tokamak型磁約束商用電站而言，其造價(jià)將超過100億美元，且運(yùn)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(shù)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)激光聚變，秒級(jí)重復(fù)頻率運(yùn)行的激光器是最大困難，其造價(jià)將遠(yuǎn)超100億美元。對(duì)Z-箍縮驅(qū)動(dòng)聚變也是如此，現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行頻率是0.1Hz，要10臺(tái)以上的驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)才能建成一個(gè)電站，因此電站的造價(jià)也將超過100億美元。而且無論是激光還是Z-箍縮，能量生產(chǎn)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(yīng)用于能源的有效途徑。以Z-箍縮驅(qū)動(dòng)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(yīng)用的要求;對(duì)裂變堆而言，由于高能聚變中子的加入，通過巧妙的設(shè)計(jì)，可以更發(fā)揚(yáng)其長處，改善甚至去除其缺點(diǎn)，使之成為一種優(yōu)質(zhì)能源。概念研究表明，一個(gè)堆只需一臺(tái)驅(qū)動(dòng)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(zhì)，可實(shí)現(xiàn)10倍以上的能量放大，并能實(shí)現(xiàn)易裂變核素的增值，因而可用“干法”進(jìn)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(shí)可加入5t貧鈾或釷繼續(xù)燃燒，鈾資源的利用率達(dá)90%以上，故這種方式可單獨(dú)維持人類數(shù)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(huì)有臨界安全事故，且可容易設(shè)置幾種非能動(dòng)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(jià)估計(jì)在30億美元左右，經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性都很好。所以，未來的能源將會(huì)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(dāng)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(chǔ)存量。從目前地質(zhì)勘探的情況看，陸地聚變能的存儲(chǔ)量，僅為陸地鈾裂變能儲(chǔ)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(yīng)速率比氘氚低近兩個(gè)量級(jí)，要實(shí)現(xiàn)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(duì)等離子體的約束時(shí)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(shù)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(jí)增加聚變?nèi)剂系馁|(zhì)量，而要求驅(qū)動(dòng)器提供的能量則需提高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣的系統(tǒng)，能量增益會(huì)遠(yuǎn)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(dǎo)。

我的看法之三是關(guān)于“干凈性問題”。核能都會(huì)產(chǎn)生放射性，純聚變也不例外。因此，“干凈”不是一個(gè)絕對(duì)的概念，關(guān)鍵是放射性物質(zhì)產(chǎn)生的數(shù)量和形態(tài)，能否方便對(duì)它進(jìn)行有效的控制和管理，使之不對(duì)人類和人類的生存環(huán)境造成傷害，且經(jīng)濟(jì)代價(jià)適當(dāng)。無疑，裂變產(chǎn)生的放射性物質(zhì)數(shù)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(huì)有太多難處。因此，我們認(rèn)為，對(duì)裂變堆放射性問題的討論，要視具體情況，不能一概而論。