□ 彭先觉

    科技进展

    纯聚变电站难以成为有竞争力的未来能源

    一种能源的优劣，可用安全性、经济性、持久性和环境友好性来评价。以此衡量，未来可支撑人类长期生存发展的能源大致有太阳能，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，保证大城市的能源供应，则取决于储能技术的发展，而储能在技术上是个难题，这将严重影响它的经济性。

    核能的优势是稳定、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，所以是一种持久能源。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(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最大困难，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0.1H z，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，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。

    Z-FFR是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。可以说，这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。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。

    聚变难以成为取之不尽用之不竭的能源

    目前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。

    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，根本谈不上做能源。终极能源的说法是一种美丽幻想，甚至是一种误导。

    此外，核能会产生放射性，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。

    裂变产生的放射性物质数量比聚变多，但如果以Z-FFR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，实际上，相对于Z-FFR而言，纯聚变在“干净”性上的优势非常有限。

    （作者系中国工程院院士，从事核聚变能研究多年，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“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）