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彭先覺(jué)院士:核聚變也難以成為取之不盡、用之不竭的能源

2019-08-06 16:36  來(lái)源:核電文摘  瀏覽:  

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(xiě)進(jìn)了教科書(shū),甚至寫(xiě)進(jìn)了國(guó)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(lái)前景作過(guò)較為認(rèn)真的思考。這里我把我的一些看法談出來(lái),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(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。理論上看,作為未來(lái)可支撐人類長(zhǎng)期生存發(fā)展的能源有太陽(yáng)能,核能中的快堆、聚變堆和聚變裂變混合堆。太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)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(shì)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(shì)是穩(wěn)定、持續(xù)、規(guī)模化。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(shì)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(lái)說(shuō)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(lái)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(wú)論是哪種途徑,經(jīng)濟(jì)性都很差。以規(guī)模為百萬(wàn)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(guò)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(lái)看,還有諸多的問(wèn)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(guò)100億美元。而且無(wú)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(shuō),純聚變電站不是一種有競(jìng)爭(zhēng)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(guò)巧妙的設(shè)計(jì),可以更發(fā)揚(yáng)其長(zhǎng)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(shuō),從根本上解決了核能的安全性問(wèn)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(lái)的能源將會(huì)在太陽(yáng)能、快堆和Z-FFR之間競(jìng)爭(zhēng)。

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(kāi)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(zhǎng)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(lái)的工程、材料等的困難且不說(shuō),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(lái)壓縮,壓縮度不可能有明顯提高。要使氘氘燒起來(lái),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(shuō)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(wèn)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(wú)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?jī)H200kg左右,處理起來(lái)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(wèn)題的討論,要視具體情況,不能一概而論。

以上看法,僅是個(gè)人的一孔之見(jiàn),但愿對(duì)大家討論相關(guān)問(wèn)題時(shí)能有所借鑒。

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