彭先觉院士：对聚变能发展的几点思考
彭先觉院士：对聚变能发展的几点思考
中国工程院院士彭先觉长期从事核聚变能研究，最早提出了“核爆聚变电站”的概念设想。2001年，他开始关注Z-箍缩聚变，并于2008年提出“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆（Z-FFR）”概念。近日，彭院士接受了记者专访，分享了他对聚变能未来发展的独到见解。
核能是人类未来的理想能源，而纯聚变电站难以成为有竞争力的能源系统
一直以来，人们普遍认为核聚变能是一种清洁、干净的核能，其资源可取之不尽、用之不竭，可能是人类的终极能源。
但彭院士指出，能源作为一种商品，其市场竞争力取决于安全性、经济性、持久性和环境友好性等因素。从这个角度来看，太阳能、快堆、聚变堆和聚变裂变混合堆是未来可能支撑人类长期发展的能源选项。
太阳能虽然在安全性、持久性和环境友好性方面具有优势，但其间歇性、分散性和经济性问题仍然存在，能否成为稳定的基荷能源取决于储能技术的发展。而储能技术目前面临重大挑战，这将严重影响太阳能的经济性和广泛应用性。
核能的重要优势在于稳定、持续、规模化，消耗的地球资源最少，是人类未来的理想基荷能源。快堆可以将铀资源的利用率提高至60%左右，即使仅依靠地球陆地上的资源，也能维持人类能源供给千年以上。然而，核能在经济性、技术依赖性以及对环境的影响方面仍存在不足，其安全性与压水堆相当，但在运行中需要更加谨慎。
聚变能目前仍然是科学技术上的重大难题。无论是磁约束还是惯性约束，纯聚变电站的经济性都很差。以百万千瓦电功率规模计算，Tokamak型磁约束纯聚变电站的商业化应用面临巨大障碍。其建造费用高昂，造价将超过100亿美元，为Z-FFR和快堆数倍，且运行控制难度大，发出的电有近50%将自耗，经济上完全没有竞争力。此外，商业应用时还面临氚自持、等离子体大破裂、材料抗辐照能力等技术风险，目前尚未找到解决方案。
激光聚变和Z-箍缩驱动聚变也面临类似问题。激光聚变需要秒级重复频率运行的激光器，其造价将远远超过100亿美元，同时还面临材料、靶室及靶室内环境等方面的巨大困难。Z-箍缩驱动聚变目前驱动器的运行频率是0.1Hz，需要10台以上的聚变单元并联才能建成一个电站，造价也将超过100亿美元，且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，能量生产效率都不高。
彭院士强调，实现聚变商业能源的热核燃料只能是氘氚，其他如氘氘、氘氦-3、氢硼等都不可能做能源。因为要实现聚变燃烧，都有输入的能量大于输出的能量，即系统的能量增益小于1，不可能成为能源系统。因此，寄托于烧氘达到资源取之不尽用之不竭的理想是不能实现的，聚变不能成为人类的终极能源。
Z-FFR是未来基荷能源最强有力的竞争者
彭院士认为，聚变与裂变的巧妙结合是核能应用的有效途径。他以Z-箍缩来驱动惯性约束聚变为例，这种方法具有驱动器原理、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，这大大降低了聚变作为能源应用的要求并使其成为可能。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（如无超临界事故、不需要铀浓缩技术、核废料极少），使之成为一种优质能源。
概念研究表明，一个Z-FFR堆只需一台驱动器；裂变堆以金属天然铀锆合金（或热堆乏燃料）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，因而可用简单“干法”进行核燃料循环，出堆的放射性核废料每年仅200kg左右，而且容易取出多种放射性同位素作工业、医疗应用；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乃至万年的能源供给。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，这也为分布式核能源格局奠定了基础。再有就是，Z-FFR可与热堆形成共生能源系统，能用热堆废料（乏燃料与浓缩时产生的大量贫铀）来做裂变包层，用先进技术解决热堆乏燃料处理难题；由于其输出功率可大幅调节，也可与可再生能源形成智慧能源系统，使电网可接纳更多的光伏、风能电，并可大幅减小储能成本。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，而Z-FFR将具有作为基荷能源的明显优势。”
核能“干净”，这并不是一个绝对的概念
彭院士指出，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Z-FFR，由于采用“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，其他的放射性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，相对于Z-FFR而言，纯聚变在‘干净’性上的优势已非常有限。”