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期待新型核能早日造福全人类

时间:2024-06-28 09:03来源:

——访中国工程院院士 彭先觉

文/李梅

核聚变能,吸引着全球科学家为实现这一理想而奋斗着。作为我国老一辈核能物理学家,中国工程院院士彭先觉从事核聚变能研究多年,参加过我国第一颗氢弹的自主研制工作,对核聚变能未来前景有非常深入的研究和思考,他的见解新颖且具有重要的科学价值,记者就此采访了彭院士。

记者:当前,不可再生的化石能源,包括石油煤炭天然气等等,都将在百年之内面临枯竭。而可再生能源,如太阳能和风能,能否成为未来基荷能源的主力尚存在许多不确定性。人类未来能源的一条重要出路就是核能。那么,核能真的能承担起未来能源的重任吗?

彭先觉: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。

相比太阳能的间歇性、分散性和受储能影响的经济性等劣势,核能的重要优势是稳定、持续、规模化。且经济性好,使用的地球资源最少,是人类最理想的未来能源。

核能中的快堆,可把铀资源的利用率提高至60%左右,可单独维持人类能源供给千年以上,故是一种持久能源。它的劣势是经济性不很好(但作为基荷能源,仍远优于光电和风电),技术上依赖于铀、钚核燃料循环,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,但这些途径经济性都很差。以规模为百万千瓦电功率计算,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%将用于自耗。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,纯聚变电站的造价将超过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。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。

记者: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,您对此有什么看法?

彭先觉: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。除核爆的方式外,其他方式的氘氘聚变能从物理上讲(氘氘反应太慢)几乎不可能。

先看磁约束方式,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体积,增加对等离子体的约束时间,其在工程、材料等方面的困难且不说,加热等离子体的功率需有10倍以上的提高(且加热系统的功率要远大于聚变功率),于是电站根本不可能有能量输出。

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。与氘氚非平衡燃烧相比,氘氘(只能平衡燃烧)反应速率要低3个数量级。要使氘氘烧起来并放出同样规模的能量,聚变燃料的质量需增加2个量级,而要求驱动器提供的能量则需提高2个数量级以上。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。

记者:我们了解到您从1993年开始关注我国核能的和平利用问题。1996年您与合作者一起提出了“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路。2001年您关注了Z-箍缩聚变,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年您提出“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)”概念,并领导团队进行了多年的深入研究。那么,您认为Z-FFR是一种最有竞争力的未来能源吗?

彭先觉:聚变与裂变的结合,可以利用裂变技术解决聚变能规模难题,利用聚变技术克服裂变关键技术瓶颈,从而可巧妙地实现核能综合性能的突破性提高。以Z-箍缩来驱动惯性约束聚变,具有驱动器原理和结构简明、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,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不断加入,堆可以工作在深次临界状态。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,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,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。所以,未来的基荷能源将会在太阳能、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。

由于安全性的完满解决,Z-FFR可靠近城市建造,因而可方便地实现热电联供,从而可较大幅度提高能量的利用效率。由于能源供应非常充足、且价格便宜,人类还可以把它用于海水淡化、高效农牧业、食物合成等,这将极大地改变人类的生产方式和生存环境。

目前,聚变-裂变混合堆尚处于规划实施阶段,预计2028年进行聚变技术验证,2035年将进行100万千瓦电站工程演示,2040年左右实现商业应用。

我们期待着新型核能源—Z-FFR的早日诞生,也期望着真正原子能时代的早日到来。

记者:您在“核爆聚变电站的概念设想”中提出:可以把核装置的爆炸威力作到10ktTNT当量级,聚变份额大于90%,更为重要的是要实现烧氘,可以把人类的供能时间提高至万年以上(其他核能源的供能时间都只有几百年或千年左右);通过爆洞和喷钠方式可以把爆炸能量安全地转变为热能和电能;可以利用爆炸释放的大量中子把钍-232变成铀-233,把铀-238变成钚-239,可以实现裂变材料的循环和增殖,并可以把大量获得的铀和钚用于热中子核反应堆。您是否认为未来能源应是核能与可再生能源形成的共生智慧能源系统?

彭先觉:对电站而言,最重要的几个指标是,建造成本、平均每年发电量、平均每年的维护运行成本和使用寿期。对热中子电站,维护运行成本较低,光伏电站也是如此,故可以先忽略维护运行成本,以建造成本除以半寿期发出的总电量算作基础电价,然后进行比较。

对于太阳能电站,建造一个百万千瓦电站花费约70亿元人民币,每年发电约1500小时(相当全功率发电小时数),全寿期30年,故算出基础电价为0.31元/kWh。

对三代核电站,建造一个百万千瓦电站花费约200亿元,每年发电约7500小时,全寿期60年,在先忽略乏燃料处理费用的条件下(未来这一任务可由Z-箍缩聚变裂变混合堆或快堆来完成),可算出基础电价为0.089元/kWh。故在光伏电站不考虑储能,核电站在不考虑后处理的条件下,核电成本价格只有光伏电的三分之一左右(这一点为当前电价成本价估计所认同)。

作为基荷能源,光伏电站必须考虑储能问题。方法之一是用性能较优良的锂电池储能。一般来说,总得要有2-3天的发电储量。而其储能的花费甚至远超光伏建造成本,初步分析如下:

以锂电池的储能中,电池价格700元/kWh计(连同上网设施,要大于1000元/kWh),100万千瓦储能2天(48h×106kW)需花费约500亿元,分给5个100万千瓦电站,每个100亿元,即每个100万千瓦光伏电站的初始造价就得翻1.5倍。而光伏电站的寿命30年,锂电池寿命只有5-7年(充放电1500-2000次),在电站全寿期内要更换3-5次储能电池,即使按3次计,每个光伏电站作为基荷能源的成本还得再翻倍,达到370亿元/百万千瓦以上的水平,而发电量只有核电站的五分之一,故锂电池电站成本将超核能电站一个量级以上。

另一种解决储能的办法是制氢,其路线是:光伏电站 → 电解水制氢 → 储运氢气 → 氢燃料电池发电;或者→ 氢氧燃烧作驱动能源。

第一条路线在光伏电站之上要增加制氢成本、储运氢成本、氢燃料电池发电成本。从这个过程来看,制氢的能量效率约60%左右,氢燃料电池的能量效率为80%左右,故此过程电能要损失一半以上。而制氢和氢燃料电池的成本都非常高昂。

第二条路线能量损失的比例将更大(内燃机效率小于30%),总的能量效率只有20%左右,安全性也较差。

此外,可再生能源,包括光伏和风电,都需要占用大量的地球资源(如土地、特殊金属等),对环境也会造成一定的影响。

对未来核能来说,若四代快堆建成,建堆成本若能控制在400亿元以内,则较之可再生能源经济上仍然会有很强的优势。

若Z-箍缩聚变裂变混合堆成功,它一个堆的建造成本约200亿元,而发电可达100-200万千瓦,堆址使用寿命将超100年,还具有固有安全本质,核废料更少且易处理,可以抵近城市建造,容易实现热电联供,因而经济性较之三代堆有大幅提高,作为基荷能源,与可再生能源相比成本将有量级的差别。

核能应该成为未来基荷能源的主力,国家应逐步树立核电作为未来主力基荷能源的目标。未来的能源应是实现输出功率大幅可调的核能,与不需额外大的储能系统的可再生能源(输出电能随时间变化可预测)形成的共生智慧能源系统。这样的系统在保证电网安全的条件下,既大幅降低了成本,又大幅扩大了能源的资源,应该是未来能源的理想配置。

记者: 您认为核能“干净”吗?

彭先觉: 核能都会产生放射性,纯聚变也不例外。因此,“干净性”主要指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Z-FFR由于采用“干法”处理,每年出堆的核废料量已很少,且气化分离出来放射性物质还可利用起来,真正要处理废物极少,处理起来将非常容易,其他的放射性核素特别是反应产生的次锕系元素等长寿命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,相比于纯聚变,Z-FFR在“干净性”上并没有明显的劣势和问题。

院士简介:

彭先觉,1941年出生于湖南湘潭易俗河烟塘村。1959年考入哈尔滨军事工程学院原子能工程系,因成绩优异,毕业后分配到核工业部九院理论部从事核武器的研制设计工作,承担了多个重要研制型号的设计任务,并在各类核武器研制、设计中有多项发明创造,是二代氢弹次级(也称氢弹主体)技术路线的提出者。

彭先觉为我国尖端武器设计达到世界先进水平做出了突出贡献,并因此先后荣获国家和部委级科技进步奖多项、1994年获国家有突出贡献中青年专家称号、1992年获光华科技基金一等奖,1997年获何梁何利基金科技进步奖。

1991年,彭先觉被任命为研究所副所长,1995年起又调至中物院任副总工程师,同时兼任上级主管部门的两个核试验专家组组长之一。

1993年起,他开始关注核爆炸和平利用问题,并与合作者一起提出了“核爆聚变电站的概念设想”。1999年,彭先觉当选为中国工程院能源与矿业工程学部院士。2001年,他成为了中国工程物理研究院Z-箍缩研究的技术负责人。2007年受国家科技部聘请,担任国家磁约束聚变专家委员会主任。2008年秋,提出了“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆”的创新概念,并领导团队进行了深入的概念研究,认为“Z-箍缩聚变裂变混合堆”在物理、技术、工程、材料方面不存在不可逾越的障碍。


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