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谈谈核聚变能——中国工程物理研究院院士彭先觉 2016-10-21 10:33:52

摘要:对于核聚变能,人们一直寄予着美好的希望,认为这是一种清洁、干净的核能,其资源可取之不尽、用之不竭,是人类的终极能源。

  对于核聚变能,人们一直寄予着美好的希望,认为这是一种清洁、干净的核能,其资源可取之不尽、用之不竭,是人类的终极能源。这一认识写进了教科书,甚至写进了国内各种级别的能源发展战略和规划,并吸引着许许多多的科学家为实现这一理想而奋斗着。本人也从事核聚变能研究多年,对聚变能的未来前景作过较为认真的思考。这里我把我的一些看法谈出来,供大家参考。

  我的看法之一是,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,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(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最大困难,其造价将远超100亿美元。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。而且无论是激光还是Z-箍缩,能量生产效率都较低(Q值小于5)。所以,我们说,纯聚变电站不是一种有竞争力的能源。聚变裂变混合堆则是解决聚变应用于能源的有效途径。以Z-箍缩驱动的聚变裂变混合堆(Z-FFR)为例,它以裂变放能为主,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,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。
  我的看法之二是,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,必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。
  我的看法之三是关于“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,每年核废料量仅200kg左右,处理起来将很方便,不会有太多难处。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。
  以上看法,仅是个人的一孔之见,但愿对大家讨论相关问题时能有所借鉴。(中国网)