對話彭先覺：新型混合堆是最有希望的千年能源

本刊記者/高妍 王彤

在能源問題日益凸顯的今天，核能憑借其規模化、持久性、經濟性和清潔性的特點，成為世界各國寄予厚望的優勢能源。從目前所研究的各種技術途徑看，有希望成為未來持久能源的將是快堆（又稱快中子增殖堆）、聚變堆和聚變—裂變混合堆。

但因啟動需大量用钚、核燃料倍增時間長、核燃料循環需進行昂貴的后處理等問題，快堆要在短時間內成為規模能源的主力尚不現實。而純聚變能源系統又因其技術難度、經濟性和可持續性方面的問題，在相當長的一段時間內也難以形成有優勢的競爭力。

所以，中國工程院院士、原國家磁約束聚變專家委員會主任彭先覺始終堅持：聚變—裂變新型混合堆才是最有希望的千年能源。

2001年，經過13年努力，耗資15億美元的一項建造人造太陽的科學工程設計終于完成，這就是國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。它的目標是建造、運行一個可持續燃燒的托卡馬克型聚變實驗堆，以驗證聚變反應堆的工程技術可行性。

2006年11月，我國同歐盟、美、日、韓、俄、印度7方代表達成共識，協定用35年時間完成這項計劃。

2008年10月，中國國際核聚變能源計劃執行中心在北京揭牌，ITER中國工作全面展開。

記者：您是原國家磁約束聚變專家委員會主任，又是ITER中國首席科學家，這幾年，您主要帶領團隊開展了哪些工作？進展如何？

彭先覺：我國的磁約束聚變研究開始于上世紀五六十年代，在艱苦的環境中取得了穩定的發展，也形成了自己的特點。但從規模和水平來看，我們同歐美等發達國家還有一定差距。這次參加ITER計劃，是我國聚變能研究領域的一件大事，利于我們學習掌握大型國際科學工程項目的建設、管理、運行和維修經驗，掌握磁約束核聚變研究和技術成果，帶動材料、超導、等離子體等相關領域技術發展，更方便我們鍛煉、培養一支高水平聚變科研和工程技術人才隊伍。

彭先覺，核武器物理專家。1941年生于湖南湘潭。1964年從哈爾濱軍事工程學院畢業后分配至二機部九院理論部從事核武器的理論研究及設計工作。1999年起任院科技委主任，同年當選為中國工程院院士。1993年起兼任原國防科工委核試驗專家組組長（兩組長之一），2002年起兼任總裝備部科技委兼職委員、核武器技術專業組組長。2007年10月被科技部聘為國家磁約束聚變專家委員會主任。現為博士生導師、中國核學會副理事長。

多年從事氫彈型號的理論研究與設計，領導完成了幾個重要型號氫彈次級（也即氫彈主體）的物理設計，并使其性能有大幅提高，是其中幾項關鍵設計思想的提出者，是我國氫彈次級設計達到世界先進水平的主要貢獻者之一。曾獲科學大會獎，國家科技進步一等獎3項、二等獎2項、三等獎2項及部委級獎多項；1994年獲國家有突出貢獻中青年專家稱號，1992年獲光華科技基金一等獎，1997年獲何梁何利基金科技進步獎。

1996年后，主要從事發展戰略研究，提出了多項提高核武器綜合性能的建議，在院“九五”“十五”“十一五”科技發展規劃制定中發揮了重要作用。

IL-6、IL-8和IL-1β的ELISA檢測試劑盒（GenStar）；SYBER Green試劑盒（寶生物）；P2X7受體小分子干擾片段（銳博）；轉染試劑Lipo2000（Invtrogen life）；細胞培養液DMEM（Hyclone）；細胞培養皿等耗材（康寧）。

在我們這屆專委會之前，已經有過一屆專家委員會，他們代表國家參加了ITER的談判，也決定了這個事應該怎么做，中國該做什么。我這一屆專委會主要還是執行上一屆專家組的既定方針。首先是承擔采購包的任務，組織主要單位開展預研工作，并保質保量完成；其次是提升國內磁約束聚變的研究水平，配套建設實驗裝置，使其具備承擔聚變物理研究的能力；第三是人才隊伍建設，動員各大高校和有優勢的科研單位共同參與，開設聚變物理方面的課程，開展相關理論和基礎的研究。這些都在有序部署。

總的來講，進展還是比較好的，各參與單位的積極性都很高，有些項目正在結題。從結題情況看，我們有的采購包任務完成情況很好，受到了ITER組織的好評；我們也對ITER某些部分究竟應該采取何種技術路線提出了一些很好的建議，并為ITER組織所接受。許多課題都取得了重要進展。

記者：現在ITER面臨的難題有哪些？

彭先覺：ITER計劃是要耗資50億歐元，來建造一個聚變能實驗堆，要把上億度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達837立方米的“磁籠”中，產生500兆瓦的聚變功率，并持續500秒。

現在需要解決的關鍵問題有三個：一是全超導托卡馬克裝置的建造，要解決大量相關科學、技術、材料和工程方面的難題；二是高溫氘氚等離子體的形成和穩定控制，要解決在強磁場下等離子體的經濟、有效加熱問題，要研究等離子體與電磁場和器壁的復雜相互作用并實現位形模式的穩定有效控制；三是在實現聚變放能同時要實現氚的可靠循環。在ITER之后，作為能源應用，還要解決如何實現更大能量增益的問題，研究具有更強抗輻照能力的材料等。

通常，我們用安全性、經濟性、可持續性以及環境友好性來衡量一條能源技術路線的優劣。大家比較欣賞聚變能的一點是它的安全性非常好，它產生的核廢料半衰期相對較短，這就比較清潔，環境友好度高。但它的經濟性和可持續性差強人意，這也是我始終堅持將來要形成有競爭力的純聚變能源非常困難的原因。

純聚變能源堆的造價非常高，一個百萬千瓦級電站的建造，就需要約百億美元水平的資金投入；而且純聚變堆的能量生產效率比較低，特別是磁約束聚變電站，它生產1度電，就要消耗掉近一半用于自身的運行。這些都會造成較高的經濟成本。同時，無論是磁約束還是慣性約束聚變，目前來看都只能燒氘氚，而氚只能由中子與鋰-6反應產生，其作為能源將受到鋰-6資源的限制，供能時間只有裂變能源的1/3左右。從長期性來講，聚變不如裂變具可持續性。

所以，我一直主張應走聚變—裂變新型混合堆路線。

記者：您和課題組提出了聚變中子源+次臨界能源堆的全新概念，這是否就是您所說的新型混合堆？它是一種怎樣的發展路線概念？

彭先覺：混合堆的概念其實早就有人提出，但按照當時的研究方案，混合堆的運行要用10噸以上的钚，還要進行大量的后處理，與快堆相比，毫無優勢可言。這兩方面的弊端使得混合堆從來不被作為能源路線來考慮。我們現在提出的混合堆和過去完全不一樣，是聚變中子源和次臨界能源堆相結合的新型混合堆。

這種次臨界能源堆以天然鈾、反應堆乏燃料為核燃料，以輕水作冷卻傳熱介質，可以在聚變中子源的驅動下獲得10倍以上的能量增益，并可保證氚的有效循環，且能夠在核燃料循環中不斷添加貧化鈾及釷，達到不斷燒鈾-238和釷的目的。

這種堆可將換料時間延長至5年或更長；其核燃料循環只需用“簡便干法”進行（清除氣體裂變產物），不必進行鈾-钚分離及鈾同位素分離，也基本不向外界排放放射性物質；可同時實現放能和嬗變自身產生的錒系元素的雙重目標；而且，該系統始終處于次臨界狀態，不會出現超臨界事故，容易設置非能動余熱排出系統，可完全避免堆中核燃料熔化事故，安全可靠。如果這項技術能夠實現，那將是能源技術的一個重要突破，并將打破我國大規模發展核能所面臨的資源、技術瓶頸。

這種混合堆實現起來相對容易，運行也變得較為簡單：聚變中子源功率只需純聚變堆的1/10，甚至1/20；對材料的抗輻照能力要求大大降低；用天然鈾而不需要準備钚，有利于大規模部署。最重要的，這個系統可以把裂變燃料的資源利用率提高到80%～90%，能夠為人類提供千年以上的能源。

我和課題組從2008年開始研究，提出了這種全新概念的次臨界能源堆技術路線。我們認為，它是一個非常有希望、有前景的能源系統，它在安全、經濟、持久、環境友好等方面都具備明顯優勢，而且技術上也容易實現。現在我們在做各種各樣的深化論證，準備在2015年向國家提出一個完整的方案論證報告，讓國內專家能夠全面評估這個發展方向。

同時，我們在Z-Pinch驅動的慣性約束聚變堆研究中也提出了兩項概念性的創新。一個是適合Z-Pinch應用的聚變點火和聚變能源的新概念靶設計，理論計算表明，這種靶可以較大幅度降低對驅動加速器電流的要求，展示了z-Pinch應用于聚變研究及能源的美好前景。該靶也可應用于激光驅動ICF，并可能降低激光器的設計制造難度。

2006年，彭先覺院士（右）與俄羅斯庫爾恰托夫研究院維利霍夫院士（中）及華欣生研究員在一起

另一個是在2009年，我們集成了在慣性約束聚變靶和次臨界能源堆方面的研究成果以及國內外專家對Z-Pinch驅動器方面的判斷，提出了Z-Pinch驅動聚變裂變混合能源堆概念，這是一個安全、經濟、清潔、持久的能源系統。該概念得到院內許多同行專家的認同，一些國內核電專家和能源研究單位也對其表現出很大興趣。當前，正積極準備爭取獲得國家支持。如果順利，則有望成為2030年后核能的重要支柱。

記者：據了解，您還曾多年開展和平利用核爆炸的相關研究，這一設想可行嗎？

彭先覺：作為核武器研究者，并不希望使用核武器，而是衷心希望核爆炸技術能夠為人類未來的生存和發展作出重要貢獻。我從1993年起，開始關注核爆炸和平利用問題的研究，曾經研究過利用核爆開挖大型涵洞，以實現把雅魯藏布江水調入大西北的問題，更有重要意義的是與合作者一起提出了“核爆聚變電站的概念設想”，也就是利用核爆聚變的原理建設一個發電站。經多年研究，我們已提出了解決問題的相應技術途徑：可以把核裝置的爆炸威力做到10ktTNT當量級，聚變份額大于90%，更為重要的是實現了燒氘，因而可以把人類的供能時間提高至萬年以上（其他核能源只能供能幾百年或千年左右）；通過爆洞和噴鈉方式可以把爆炸能量安全地轉變為熱能和電能；可以利用爆炸釋放的大量中子把釷-232變成鈾-233，把鈾-238變成钚-239，實現裂變材料的循環和增殖，并可以把獲得的大量鈾和钚用于熱中子核反應堆。

這個過程中最難的，是如何保證爆洞能夠持久地工作。但從最近的研究來看，也可以適當解決。從實施上講，所有環節都在我們宏觀的可控制的范圍之內，沒有特別多物理性難題。

與其他聚變能源途徑相比，核爆能源有技術相對簡明、造價低廉、利于實施的明顯優勢，最重要的它能為人類提供能源的時間也最長，所以我認為和平利用核爆炸是可行的，甚至可以說是簡便的。但也有困難，那就是讓人們接受起來不太容易，這也是這一路線實現的最大障礙。

總體來講，還是剛剛介紹的新型混合堆更容易被人們接受，也適合作為穩定的規模能源滿足現代社會發展的巨大需求，是真正有希望的千年能源。