彭先觉：不忘初心 坚守核能发展梦

魏玉欣 吕 旗

彭先觉：不忘初心 坚守核能发展梦

魏玉欣 吕 旗

提到“核能”，大多数人首先想到的是在军事领域有着举足轻重的地位，也成为威慑力最强的军备力量。事实上，除了在军事领域发挥效能以外，“核能”也被广泛运用在能源、工业、航天等领域，并被科学家誉为“人类最有希望的未来能源之一”。“核能”未来将在解决人类能源危机乃至环境、气候的问题中起到至为关键的作用。

彭先觉，中国工程院院士，也是我国原子核物理学专家。自1964年从哈尔滨军事工程学院原子工程系毕业之后，他就一直为我国“核能”领域的研究工作献计献策，贡献自己的一腔热血。从跟随“两弹元勋”邓稼先等老一辈核物理学家为中国核武器的研发做出贡献，到深耕核武器小型化技术，再到后来逐渐转向研究核能和平利用，提出极具创新性和适用性的“Z-箍缩驱动的聚变裂变混合堆”概念，彭先觉院士在科研道路上奋斗和探索的脚步从来未曾停止过。

核能，顾名思义，就是通过核反应从原子核释放的能量，其释放的方式包括核裂变、核聚变和核衰变三种。核裂变能是通过一些重原子核发生“链式裂变反应”释放出的能量，核聚变能则是由两个轻原子核结合在一起形成更重的原子核时释放出的能量。其中，核聚变因为安全性高、放射性少，一度成为科学家心中追求未来能源的理想目标。

经过多年研究，彭先觉认为，不管用何种技术途径实现核聚变，纯聚变能源系统都因其技术难度、经济性和可持续性方面的问题，与太阳能等可再生能源相比将不具有竞争力。而核裂变能中的热堆由于资源利用率过低不可能成为未来能源，快堆则由于其经济性、后处理、倍增时间及安全性等方面的原因，发展也受到了制约。因此，他提出把聚变和裂变进行巧妙结合，利用次临界能源堆对聚变能的放大作用（20倍左右），从而大幅度降低对聚变中子源强度的要求，为聚变技术应用于能源的可行性创造了条件；而大量聚变中子的加入，又为改进或去除裂变堆的缺点提供了可能。因此，聚变和裂变的结合，应是未来核能源发展的康庄大道。

那么这条通向未来发展的能源道路该怎么走？彭先觉在2008年10月正式提出了一种高品质千年核能源的概念，即“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆（Z-FFR）”。目前“Z-FFR”概念研究在中国工程物理研究院及下属多个研究所、国防科工局、中国ITER中心、国家自然科学基金委的参与、支持下已达到了相当深入的程度，围绕这一概念形成了基本的设计方案。

在这个概念设计方案里，Z-FFR主要包含三个部分：Z-箍缩驱动器、聚变靶及爆室、次临界能源堆。

所谓Z-箍缩，就是当电流流过柱形套筒导体时（Z方向电流）会产生角向磁场（θ方向），该磁场作用于导体载流子将产生指向柱形中心轴（径向）的洛伦兹力（即压力），并导致自箍缩效应。当电流达到数十MA量级时，产生的磁压力十分巨大（百万大气压以上），驱动套筒等离子体高速向心内爆，速度可达每秒数百公里，能为靶丸实现聚变创造良好的条件。利用Z-箍缩驱动实现聚变的优势就在于驱动器技术相对简单，造价低廉，能量充足且转换效率高。

“能源应用的驱动器建造比较困难，目前还没有成功建造的先例，但从基本参数看，尚未有不可克服的障碍。至少用于聚变研究的60MA电流的驱动器是可建成的。”彭先觉向记者介绍道。

针对60～70MA级驱动器方案，为了实现大电流、长寿命（1年以上）、重频（10秒放电1次）运行，他和团队提出了几项主要技术措施，如采用LTD拓扑结构，降低基本放电单元的能量和功率；增大电流脉冲上升前沿时间和负载半径等。经过对元器件、材料的攻关，完全有望达到预期目标。

在惯性约束聚变靶的设计中，彭先觉认为需要重点把握的两个关键因素是：提供给靶的能量以及解决聚变燃料压缩的球对称性问题。因此他又创造性地提出了一种与美国LLNL“中心点火靶”设计理念完全不同的“局部整体点火靶”模型，并设计了套筒与靶能量传递结构，经过各项数值计算表明，“局部整体点火靶”模型都更胜一筹，能够实现GJ级聚变放能。

在次临界能源堆方面，彭先觉主张应走与“传统”次临界堆完全不同的设计路线，以能源为目标，力求简明、简便、安全、经济。在该理念的指导下，提出了如下设计，即以天然铀金属合金为初始燃料，轻水为传热、慢化介质并与水堆技术结合。

为使该技术路线可行，他与团队还提出水从Zr合金水管中流过，水管穿过块状金属铀部件的设计方案；采用合适铀水比，以获得较高的易裂变核素增殖比，使核燃料在许多年内都可以保持良好核性能，因而可在数百年内使用“干法”进行核燃料循环，并大大减少了核废料生成量（每年200kg左右）；设立专门的屏蔽区，确保外部环境为极低放射性水平，有望大大延长场址的使用寿期；创新地设计了高效闭式水汽循环（水直接送至燃料区边）的非能动余热排出系统和非能动放射性气体导出系统，彻底地解决了反应堆的余热安全问题。

总体来看，Z-FFR充分体现了聚变和裂变优势互补的特点，大大提高了核能的安全性（没有临界安全问题，也完全避免了余热安全问题）、经济性（100万千瓦堆建造成本预计在30亿美元）、持久性（铀、钍资源利用率可达90%以上，可为人类供能数千年）和环境友好性（核废料很少，易处置），因而是具有极强竞争力的未来能源。

基于项目的特点和重要意义，团队提出了如下的研究发展路线图：2015年之前为概念研究阶段；2025年前是关键技术攻关阶段并希望建成50MA左右的驱动器以验证聚变；2025年到2035年为技术集成和功能演示阶段；力争2035年左右进行工业应用演示。

彭先觉在采访中一再表示，希望国家高度关注，尽快设立研究专项，以争取在2025年左右能够建成可研究聚变和次临界能源堆模块原理的实验装置。因为越早完成这项工作，就能越早为准确判断这条技术路线的前景提供依据。

“大家都知道现在全世界都面临着能源危机，最主要的原因就是人们过度依赖化石能源。而化石能源是有限的，百年之后将面临枯竭。人类迫切地需要新的替代能源。核能应该也有可能成为未来规模能源的主力，它能为解决能源、环境、气候问题提供优良的一揽子解决方案。”彭先觉为记者分析道。

核能具有非常广阔的发展前景，已被纳入国家发展规划中。2012年7月，国务院就公布了《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，提出到2020年，形成具有国际竞争力的百万千瓦级核电先进技术开发、设计、装备制造能力。只是这一目标的完成并非一蹴而就，而是需要更多如彭先觉一样的科学界人士加入，共同来完成这一宏大的计划，一起打造中国核能创新梦工场。