聚變+裂變=未來能源發(fā)展之路

      人類生存和發(fā)展最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)是能源，而聚變能則是科學(xué)家心目中追求的未來能源的理想目標(biāo)。這是因?yàn)榫圩儺a(chǎn)物與裂變產(chǎn)物相比，具有少得多的放射性，尤其是基本沒有長壽命的放射性核素，因此有安全、清潔能源的美稱。然而，經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究，人們發(fā)現(xiàn)，聚變能要成為有競爭力的能源還有很長的路要走。作為未來能源，衡量其競爭力的主要標(biāo)志有：安全性、經(jīng)濟(jì)性、持久性和環(huán)境友好性。聚變能與裂變能相比，在安全性和環(huán)境友好性上存在優(yōu)勢，但在經(jīng)濟(jì)性和持久性上則有很大差距。

首先看經(jīng)濟(jì)性。目前，聚變能源研究的主要技術(shù)路線有3條：磁約束聚變(Tokamak方式)、激光驅(qū)動慣性約束聚變和Z箍縮驅(qū)動慣性約束聚變。就磁約束聚變而言，一是建造規(guī)模大、技術(shù)復(fù)雜、成本高(100萬千瓦電站成本估計超過100億美元，一般熱中子電站不到20億美元，快中子電站可能加倍)；二是運(yùn)行控制難度高，能量生產(chǎn)效率低(運(yùn)行需消耗自身發(fā)電量的50%以上，因此大大增加運(yùn)行成本)；三是材料抗輻照問題。磁約束聚變要求面向等離子體材料和結(jié)構(gòu)材料經(jīng)過多年(10年左右)聚變高能中子輻照后，仍有足夠的強(qiáng)度。因?yàn)榈入x子體破裂現(xiàn)象難以避免，而等離子體大破裂會產(chǎn)生極大的帶有破壞性的電磁力。但現(xiàn)有材料的抗聚變高能中子輻照能力尚不足商用堆標(biāo)準(zhǔn)的三分之一，如何讓材料達(dá)標(biāo)成為技術(shù)上的大難題。此外，材料的抗輻照能力還直接關(guān)系到堆運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性(更換等離子體外的包層既困難又費(fèi)時)。就激光驅(qū)動和Z箍縮驅(qū)動慣性約束純聚變而言，實(shí)現(xiàn)聚變，都需要在約10納秒左右的時間內(nèi)，向聚變靶丸輸送約10MJ級的能量，因而驅(qū)動器建造成本很高。激光驅(qū)動由于需要實(shí)現(xiàn)秒級重復(fù)頻率運(yùn)行，故要選用二極管泵浦固體激光器，預(yù)計100萬千瓦純聚變電站僅激光器的造價就在100億美元以上；而Z箍縮驅(qū)動純聚變電站，由于驅(qū)動器運(yùn)行只能10秒左右一次，故需10個爆室，10臺驅(qū)動器聯(lián)合運(yùn)行，其造價也可能超過100億美元。由此可見，純聚變商用堆，無論采取哪種技術(shù)路線，在經(jīng)濟(jì)上都沒有競爭力。

再來看持久性。持久性主要取決于技術(shù)路線和資源。聚變的問題是，實(shí)現(xiàn)聚變并不難，但要實(shí)現(xiàn)能源規(guī)模的聚變卻非常困難。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)較大規(guī)模聚變的途徑只能是燒氘氚，氚是放射性元素，半衰期12.3年，自然界中不存在，只能由中子輻照鋰-6來生產(chǎn)。因此聚變能源的持久性就取決于鋰-6的資源量。從現(xiàn)在已探明的資源來看，鋰資源可提供的能量總量只有鈾資源(按鈾-238裂變計)的三分之一。我們過去說的聚變能可取之不盡、用之不竭是針對燒氘而言的。實(shí)際上，純氘非常難燒，當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)根本做不到這一點(diǎn)。

總之，純聚變能源在兩個最重要的方面不如裂變能源，而裂變能源經(jīng)過多年的努力，在安全性和環(huán)境適應(yīng)性方面也有了長足的進(jìn)步，因此純聚變能源沒有競爭力。但聚變時產(chǎn)生的高能中子能夠引起鈾-238和釷-232裂變，如果把聚變-裂變很好組合起來，則有可能成為一條很好的未來能源發(fā)展道路。由中國工程物理研究院研究團(tuán)隊(duì)提出的新型次臨界能源堆概念，可以與各種聚變中子源相結(jié)合形成聚變-裂變混合堆。該次臨界堆能夠在以天然鈾為初始燃料的情況下，把能量放大10倍到20倍，這就使聚變能技術(shù)有可能得以應(yīng)用；可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)燒鈾-238和釷-232，能夠把鈾、釷資源最大限度地利用起來，可以為人類供能數(shù)千年；可用“簡便方法”進(jìn)行核燃料的循環(huán)，換料周期5年以上，可實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行，因而具有很好的經(jīng)濟(jì)性；具有天然的安全性，并能嬗變掉堆反應(yīng)過程中產(chǎn)生的長壽命核素，環(huán)境友好性極佳，可以做到不需場外應(yīng)急系統(tǒng)。