彭先覺：不忘初心 堅守核能發展夢

魏玉欣 呂 旗

彭先覺：不忘初心 堅守核能發展夢

魏玉欣 呂 旗

提到“核能”，大多數人首先想到的是在軍事領域有著舉足輕重的地位，也成為威懾力最強的軍備力量。事實上，除了在軍事領域發揮效能以外，“核能”也被廣泛運用在能源、工業、航天等領域，并被科學家譽為“人類最有希望的未來能源之一”。“核能”未來將在解決人類能源危機乃至環境、氣候的問題中起到至為關鍵的作用。

彭先覺，中國工程院院士，也是我國原子核物理學專家。自1964年從哈爾濱軍事工程學院原子工程系畢業之后，他就一直為我國“核能”領域的研究工作獻計獻策，貢獻自己的一腔熱血。從跟隨“兩彈元勛”鄧稼先等老一輩核物理學家為中國核武器的研發做出貢獻，到深耕核武器小型化技術，再到后來逐漸轉向研究核能和平利用，提出極具創新性和適用性的“Z-箍縮驅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、核聚變和核衰變三種。核裂變能是通過一些重原子核發生“鏈式裂變反應”釋放出的能量，核聚變能則是由兩個輕原子核結合在一起形成更重的原子核時釋放出的能量。其中，核聚變因為安全性高、放射性少，一度成為科學家心中追求未來能源的理想目標。

經過多年研究，彭先覺認為，不管用何種技術途徑實現核聚變，純聚變能源系統都因其技術難度、經濟性和可持續性方面的問題，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，快堆則由于其經濟性、后處理、倍增時間及安全性等方面的原因，發展也受到了制約。因此，他提出把聚變和裂變進行巧妙結合，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度的要求，為聚變技術應用于能源的可行性創造了條件；而大量聚變中子的加入，又為改進或去除裂變堆的缺點提供了可能。因此，聚變和裂變的結合，應是未來核能源發展的康莊大道。

那么這條通向未來發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千年核能源的概念，即“Z-箍縮驅動聚變裂變混合堆（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研究所、國防科工局、中國ITER中心、國家自然科學基金委的參與、支持下已達到了相當深入的程度，圍繞這一概念形成了基本的設計方案。

在這個概念設計方案里，Z-FFR主要包含三個部分：Z-箍縮驅動器、聚變靶及爆室、次臨界能源堆。

所謂Z-箍縮，就是當電流流過柱形套筒導體時（Z方向電流）會產生角向磁場（θ方向），該磁場作用于導體載流子將產生指向柱形中心軸（徑向）的洛倫茲力（即壓力），并導致自箍縮效應。當電流達到數十MA量級時，產生的磁壓力十分巨大（百萬大氣壓以上），驅動套筒等離子體高速向心內爆，速度可達每秒數百公里，能為靶丸實現聚變創造良好的條件。利用Z-箍縮驅動實現聚變的優勢就在于驅動器技術相對簡單，造價低廉，能量充足且轉換效率高。

“能源應用的驅動器建造比較困難，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電流的驅動器是可建成的。”彭先覺向記者介紹道。

針對60～70MA級驅動器方案，為了實現大電流、長壽命（1年以上）、重頻（10秒放電1次）運行，他和團隊提出了幾項主要技術措施，如采用LTD拓撲結構，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間和負載半徑等。經過對元器件、材料的攻關，完全有望達到預期目標。

在慣性約束聚變靶的設計中，彭先覺認為需要重點把握的兩個關鍵因素是：提供給靶的能量以及解決聚變燃料壓縮的球對稱性問題。因此他又創造性地提出了一種與美國LLNL“中心點火靶”設計理念完全不同的“局部整體點火靶”模型，并設計了套筒與靶能量傳遞結構，經過各項數值計算表明，“局部整體點火靶”模型都更勝一籌，能夠實現GJ級聚變放能。

在次臨界能源堆方面，彭先覺主張應走與“傳統”次臨界堆完全不同的設計路線，以能源為目標，力求簡明、簡便、安全、經濟。在該理念的指導下，提出了如下設計，即以天然鈾金屬合金為初始燃料，輕水為傳熱、慢化介質并與水堆技術結合。

為使該技術路線可行，他與團隊還提出水從Zr合金水管中流過，水管穿過塊狀金屬鈾部件的設計方案；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都可以保持良好核性能，因而可在數百年內使用“干法”進行核燃料循環，并大大減少了核廢料生成量（每年200kg左右）；設立專門的屏蔽區，確保外部環境為極低放射性水平，有望大大延長場址的使用壽期；創新地設計了高效閉式水汽循環（水直接送至燃料區邊）的非能動余熱排出系統和非能動放射性氣體導出系統，徹底地解決了反應堆的余熱安全問題。

總體來看，Z-FFR充分體現了聚變和裂變優勢互補的特點，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）、經濟性（100萬千瓦堆建造成本預計在30億美元）、持久性（鈾、釷資源利用率可達90%以上，可為人類供能數千年）和環境友好性（核廢料很少，易處置），因而是具有極強競爭力的未來能源。

基于項目的特點和重要意義，團隊提出了如下的研究發展路線圖：2015年之前為概念研究階段；2025年前是關鍵技術攻關階段并希望建成50MA左右的驅動器以驗證聚變；2025年到2035年為技術集成和功能演示階段；力爭2035年左右進行工業應用演示。

彭先覺在采訪中一再表示，希望國家高度關注，盡快設立研究專項，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驗裝置。因為越早完成這項工作，就能越早為準確判斷這條技術路線的前景提供依據。

“大家都知道現在全世界都面臨著能源危機，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。核能應該也有可能成為未來規模能源的主力，它能為解決能源、環境、氣候問題提供優良的一攬子解決方案。”彭先覺為記者分析道。

核能具有非常廣闊的發展前景，已被納入國家發展規劃中。2012年7月，國務院就公布了《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》，提出到2020年，形成具有國際競爭力的百萬千瓦級核電先進技術開發、設計、裝備制造能力。只是這一目標的完成并非一蹴而就，而是需要更多如彭先覺一樣的科學界人士加入，共同來完成這一宏大的計劃，一起打造中國核能創新夢工場。