魏玉欣 呂 旗

彭先覺：不忘初心 堅(jiān)守核能發(fā)展夢

魏玉欣 呂 旗

提到“核能”，大多數(shù)人首先想到的是在軍事領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，也成為威懾力最強(qiáng)的軍備力量。事實(shí)上，除了在軍事領(lǐng)域發(fā)揮效能以外，“核能”也被廣泛運(yùn)用在能源、工業(yè)、航天等領(lǐng)域，并被科學(xué)家譽(yù)為“人類最有希望的未來能源之一”?！昂四堋蔽磥韺⒃诮鉀Q人類能源危機(jī)乃至環(huán)境、氣候的問題中起到至為關(guān)鍵的作用。

彭先覺，中國工程院院士，也是我國原子核物理學(xué)專家。自1964年從哈爾濱軍事工程學(xué)院原子工程系畢業(yè)之后，他就一直為我國“核能”領(lǐng)域的研究工作獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，貢獻(xiàn)自己的一腔熱血。從跟隨“兩彈元勛”鄧稼先等老一輩核物理學(xué)家為中國核武器的研發(fā)做出貢獻(xiàn)，到深耕核武器小型化技術(shù)，再到后來逐漸轉(zhuǎn)向研究核能和平利用，提出極具創(chuàng)新性和適用性的“Z-箍縮驅(qū)動的聚變裂變混合堆”概念，彭先覺院士在科研道路上奮斗和探索的腳步從來未曾停止過。

核能，顧名思義，就是通過核反應(yīng)從原子核釋放的能量，其釋放的方式包括核裂變、核聚變和核衰變?nèi)N。核裂變能是通過一些重原子核發(fā)生“鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)”釋放出的能量，核聚變能則是由兩個(gè)輕原子核結(jié)合在一起形成更重的原子核時(shí)釋放出的能量。其中，核聚變因?yàn)榘踩愿?、放射性少，一度成為科學(xué)家心中追求未來能源的理想目標(biāo)。

經(jīng)過多年研究，彭先覺認(rèn)為，不管用何種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)核聚變，純聚變能源系統(tǒng)都因其技術(shù)難度、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性方面的問題，與太陽能等可再生能源相比將不具有競爭力。而核裂變能中的熱堆由于資源利用率過低不可能成為未來能源，快堆則由于其經(jīng)濟(jì)性、后處理、倍增時(shí)間及安全性等方面的原因，發(fā)展也受到了制約。因此，他提出把聚變和裂變進(jìn)行巧妙結(jié)合，利用次臨界能源堆對聚變能的放大作用（20倍左右），從而大幅度降低對聚變中子源強(qiáng)度的要求，為聚變技術(shù)應(yīng)用于能源的可行性創(chuàng)造了條件；而大量聚變中子的加入，又為改進(jìn)或去除裂變堆的缺點(diǎn)提供了可能。因此，聚變和裂變的結(jié)合，應(yīng)是未來核能源發(fā)展的康莊大道。

那么這條通向未來發(fā)展的能源道路該怎么走？彭先覺在2008年10月正式提出了一種高品質(zhì)千年核能源的概念，即“Z-箍縮驅(qū)動聚變裂變混合堆（Z-FFR）”。目前“Z-FFR”概念研究在中國工程物理研究院及下屬多個(gè)研究所、國防科工局、中國ITER中心、國家自然科學(xué)基金委的參與、支持下已達(dá)到了相當(dāng)深入的程度，圍繞這一概念形成了基本的設(shè)計(jì)方案。

在這個(gè)概念設(shè)計(jì)方案里，Z-FFR主要包含三個(gè)部分：Z-箍縮驅(qū)動器、聚變靶及爆室、次臨界能源堆。

所謂Z-箍縮，就是當(dāng)電流流過柱形套筒導(dǎo)體時(shí)（Z方向電流）會產(chǎn)生角向磁場（θ方向），該磁場作用于導(dǎo)體載流子將產(chǎn)生指向柱形中心軸（徑向）的洛倫茲力（即壓力），并導(dǎo)致自箍縮效應(yīng)。當(dāng)電流達(dá)到數(shù)十MA量級時(shí)，產(chǎn)生的磁壓力十分巨大（百萬大氣壓以上），驅(qū)動套筒等離子體高速向心內(nèi)爆，速度可達(dá)每秒數(shù)百公里，能為靶丸實(shí)現(xiàn)聚變創(chuàng)造良好的條件。利用Z-箍縮驅(qū)動實(shí)現(xiàn)聚變的優(yōu)勢就在于驅(qū)動器技術(shù)相對簡單，造價(jià)低廉，能量充足且轉(zhuǎn)換效率高。

“能源應(yīng)用的驅(qū)動器建造比較困難，目前還沒有成功建造的先例，但從基本參數(shù)看，尚未有不可克服的障礙。至少用于聚變研究的60MA電流的驅(qū)動器是可建成的?！迸硐扔X向記者介紹道。

針對60～70MA級驅(qū)動器方案，為了實(shí)現(xiàn)大電流、長壽命（1年以上）、重頻（10秒放電1次）運(yùn)行，他和團(tuán)隊(duì)提出了幾項(xiàng)主要技術(shù)措施，如采用LTD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低基本放電單元的能量和功率；增大電流脈沖上升前沿時(shí)間和負(fù)載半徑等。經(jīng)過對元器件、材料的攻關(guān)，完全有望達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

在慣性約束聚變靶的設(shè)計(jì)中，彭先覺認(rèn)為需要重點(diǎn)把握的兩個(gè)關(guān)鍵因素是：提供給靶的能量以及解決聚變?nèi)剂蠅嚎s的球?qū)ΨQ性問題。因此他又創(chuàng)造性地提出了一種與美國LLNL“中心點(diǎn)火靶”設(shè)計(jì)理念完全不同的“局部整體點(diǎn)火靶”模型，并設(shè)計(jì)了套筒與靶能量傳遞結(jié)構(gòu)，經(jīng)過各項(xiàng)數(shù)值計(jì)算表明，“局部整體點(diǎn)火靶”模型都更勝一籌，能夠?qū)崿F(xiàn)GJ級聚變放能。

在次臨界能源堆方面，彭先覺主張應(yīng)走與“傳統(tǒng)”次臨界堆完全不同的設(shè)計(jì)路線，以能源為目標(biāo)，力求簡明、簡便、安全、經(jīng)濟(jì)。在該理念的指導(dǎo)下，提出了如下設(shè)計(jì)，即以天然鈾金屬合金為初始燃料，輕水為傳熱、慢化介質(zhì)并與水堆技術(shù)結(jié)合。

為使該技術(shù)路線可行，他與團(tuán)隊(duì)還提出水從Zr合金水管中流過，水管穿過塊狀金屬鈾部件的設(shè)計(jì)方案；采用合適鈾水比，以獲得較高的易裂變核素增殖比，使核燃料在許多年內(nèi)都可以保持良好核性能，因而可在數(shù)百年內(nèi)使用“干法”進(jìn)行核燃料循環(huán)，并大大減少了核廢料生成量（每年200kg左右）；設(shè)立專門的屏蔽區(qū)，確保外部環(huán)境為極低放射性水平，有望大大延長場址的使用壽期；創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了高效閉式水汽循環(huán)（水直接送至燃料區(qū)邊）的非能動余熱排出系統(tǒng)和非能動放射性氣體導(dǎo)出系統(tǒng)，徹底地解決了反應(yīng)堆的余熱安全問題。

總體來看，Z-FFR充分體現(xiàn)了聚變和裂變優(yōu)勢互補(bǔ)的特點(diǎn)，大大提高了核能的安全性（沒有臨界安全問題，也完全避免了余熱安全問題）、經(jīng)濟(jì)性（100萬千瓦堆建造成本預(yù)計(jì)在30億美元）、持久性（鈾、釷資源利用率可達(dá)90%以上，可為人類供能數(shù)千年）和環(huán)境友好性（核廢料很少，易處置），因而是具有極強(qiáng)競爭力的未來能源。

基于項(xiàng)目的特點(diǎn)和重要意義，團(tuán)隊(duì)提出了如下的研究發(fā)展路線圖：2015年之前為概念研究階段；2025年前是關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段并希望建成50MA左右的驅(qū)動器以驗(yàn)證聚變；2025年到2035年為技術(shù)集成和功能演示階段；力爭2035年左右進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用演示。

彭先覺在采訪中一再表示，希望國家高度關(guān)注，盡快設(shè)立研究專項(xiàng)，以爭取在2025年左右能夠建成可研究聚變和次臨界能源堆模塊原理的實(shí)驗(yàn)裝置。因?yàn)樵皆缤瓿蛇@項(xiàng)工作，就能越早為準(zhǔn)確判斷這條技術(shù)路線的前景提供依據(jù)。

“大家都知道現(xiàn)在全世界都面臨著能源危機(jī)，最主要的原因就是人們過度依賴化石能源。而化石能源是有限的，百年之后將面臨枯竭。人類迫切地需要新的替代能源。核能應(yīng)該也有可能成為未來規(guī)模能源的主力，它能為解決能源、環(huán)境、氣候問題提供優(yōu)良的一攬子解決方案?！迸硐扔X為記者分析道。

核能具有非常廣闊的發(fā)展前景，已被納入國家發(fā)展規(guī)劃中。2012年7月，國務(wù)院就公布了《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出到2020年，形成具有國際競爭力的百萬千瓦級核電先進(jìn)技術(shù)開發(fā)、設(shè)計(jì)、裝備制造能力。只是這一目標(biāo)的完成并非一蹴而就，而是需要更多如彭先覺一樣的科學(xué)界人士加入，共同來完成這一宏大的計(jì)劃，一起打造中國核能創(chuàng)新夢工場。