对话彭先觉：新型混合堆是最有希望的千年能源

彭先觉，核武器物理专家。1941年生于湖南湘潭。1964年从哈尔滨军事工程学院毕业后分配至二机部九院理论部从事核武器的理论研究及设计工作。1999年起任院科技委主任，同年当选为中国工程院院士。1993年起兼任原国防科工委核试验专家组组长（两组长之一），2002年起兼任总装备部科技委兼职委员、核武器技术专业组组长。2007年10月被科技部聘为国家磁约束聚变专家委员会主任。现为博士生导师、中国核学会副理事长。

多年从事氢弹型号的理论研究与设计，领导完成了几个重要型号氢弹次级（也即氢弹主体）的物理设计，并使其性能有大幅提高，是其中几项关键设计思想的提出者，是我国氢弹次级设计达到世界先进水平的主要贡献者之一。曾获科学大会奖，国家科技进步一等奖3项、二等奖2项、三等奖2项及部委级奖多项；1994年获国家有突出贡献中青年专家称号，1992年获光华科技基金一等奖，1997年获何梁何利基金科技进步奖。

1996年后，主要从事发展战略研究，提出了多项提高核武器综合性能的建议，在院“九五”“十五”“十一五”科技发展规划制定中发挥了重要作用。

在能源问题日益凸显的今天，核能凭借其规模化、持久性、经济性和清洁性的特点，成为世界各国寄予厚望的优势能源。从目前所研究的各种技术途径看，有希望成为未来持久能源的将是快堆（又称快中子增殖堆）、聚变堆和聚变—裂变混合堆。

但因启动需大量用钚、核燃料倍增时间长、核燃料循环需进行昂贵的后处理等问题，快堆要在短时间内成为规模能源的主力尚不现实。而纯聚变能源系统又因其技术难度、经济性和可持续性方面的问题，在相当长的一段时间内也难以形成有优势的竞争力。

所以，中国工程院院士、原国家磁约束聚变专家委员会主任彭先觉始终坚持：聚变—裂变新型混合堆才是最有希望的千年能源。

2001年，经过13年努力，耗资15亿美元的一项建造人造太阳的科学工程设计终于完成，这就是国际热核聚变实验堆（ITER）计划。它的目标是建造、运行一个可持续燃烧的托卡马克型聚变实验堆，以验证聚变反应堆的工程技术可行性。

2006年11月，我国同欧盟、美、日、韩、俄、印度7方代表达成共识，协定用35年时间完成这项计划。

2008年10月，中国国际核聚变能源计划执行中心在北京揭牌，ITER中国工作全面展开。

记者：您是原国家磁约束聚变专家委员会主任，又是ITER中国首席科学家，这几年，您主要带领团队开展了哪些工作？进展如何？

彭先觉：我国的磁约束聚变研究开始于上世纪五六十年代，在艰苦的环境中取得了稳定的发展，也形成了自己的特点。但从规模和水平来看，我们同欧美等发达国家还有一定差距。这次参加ITER计划，是我国聚变能研究领域的一件大事，利于我们学习掌握大型国际科学工程项目的建设、管理、运行和维修经验，掌握磁约束核聚变研究和技术成果，带动材料、超导、等离子体等相关领域技术发展，更方便我们锻炼、培养一支高水平聚变科研和工程技术人才队伍。

在我们这届专委会之前，已经有过一届专家委员会，他们代表国家参加了ITER的谈判，也决定了这个事应该怎么做，中国该做什么。我这一届专委会主要还是执行上一届专家组的既定方针。首先是承担采购包的任务，组织主要单位开展预研工作，并保质保量完成；其次是提升国内磁约束聚变的研究水平，配套建设实验装置，使其具备承担聚变物理研究的能力；第三是人才队伍建设，动员各大高校和有优势的科研单位共同参与，开设聚变物理方面的课程，开展相关理论和基础的研究。这些都在有序部署。

总的来讲，进展还是比较好的，各参与单位的积极性都很高，有些项目正在结题。从结题情况看，我们有的采购包任务完成情况很好，受到了ITER组织的好评；我们也对ITER某些部分究竟应该采取何种技术路线提出了一些很好的建议，并为ITER组织所接受。许多课题都取得了重要进展。

记者：现在ITER面临的难题有哪些？

彭先觉：ITER计划是要耗资50亿欧元，来建造一个聚变能实验堆，要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的“磁笼”中，产生500兆瓦的聚变功率，并持续500秒。

现在需要解决的关键问题有三个：一是全超导托卡马克装置的建造，要解决大量相关科学、技术、材料和工程方面的难题；二是高温氘氚等离子体的形成和稳定控制，要解决在强磁场下等离子体的经济、有效加热问题，要研究等离子体与电磁场和器壁的复杂相互作用并实现位形模式的稳定有效控制；三是在实现聚变放能同时要实现氚的可靠循环。在ITER之后，作为能源应用，还要解决如何实现更大能量增益的问题，研究具有更强抗辐照能力的材料等。

通常，我们用安全性、经济性、可持续性以及环境友好性来衡量一条能源技术路线的优劣。大家比较欣赏聚变能的一点是它的安全性非常好，它产生的核废料半衰期相对较短，这就比较清洁，环境友好度高。但它的经济性和可持续性差强人意，这也是我始终坚持将来要形成有竞争力的纯聚变能源非常困难的原因。

纯聚变能源堆的造价非常高，一个百万千瓦级电站的建造，就需要约百亿美元水平的资金投入；而且纯聚变堆的能量生产效率比较低，特别是磁约束聚变电站，它生产1度电，就要消耗掉近一半用于自身的运行。这些都会造成较高的经济成本。同时，无论是磁约束还是惯性约束聚变，目前来看都只能烧氘氚，而氚只能由中子与锂-6反应产生，其作为能源将受到锂-6资源的限制，供能时间只有裂变能源的1/3左右。从长期性来讲，聚变不如裂变具可持续性。

所以，我一直主张应走聚变—裂变新型混合堆路线。

记者：您和课题组提出了聚变中子源+次临界能源堆的全新概念，这是否就是您所说的新型混合堆？它是一种怎样的发展路线概念？

彭先觉：混合堆的概念其实早就有人提出，但按照当时的研究方案，混合堆的运行要用10吨以上的钚，还要进行大量的后处理，与快堆相比，毫无优势可言。这两方面的弊端使得混合堆从来不被作为能源路线来考虑。我们现在提出的混合堆和过去完全不一样，是聚变中子源和次临界能源堆相结合的新型混合堆。

这种次临界能源堆以天然铀、反应堆乏燃料为核燃料，以轻水作冷却传热介质，可以在聚变中子源的驱动下获得10倍以上的能量增益，并可保证氚的有效循环，且能够在核燃料循环中不断添加贫化铀及钍，达到不断烧铀-238和钍的目的。

这种堆可将换料时间延长至5年或更长；其核燃料循环只需用“简便干法”进行（清除气体裂变产物），不必进行铀-钚分离及铀同位素分离，也基本不向外界排放放射性物质；可同时实现放能和嬗变自身产生的锕系元素的双重目标；而且，该系统始终处于次临界状态，不会出现超临界事故，容易设置非能动余热排出系统，可完全避免堆中核燃料熔化事故，安全可靠。如果这项技术能够实现，那将是能源技术的一个重要突破，并将打破我国大规模发展核能所面临的资源、技术瓶颈。

这种混合堆实现起来相对容易，运行也变得较为简单：聚变中子源功率只需纯聚变堆的1/10，甚至1/20；对材料的抗辐照能力要求大大降低；用天然铀而不需要准备钚，有利于大规模部署。最重要的，这个系统可以把裂变燃料的资源利用率提高到80%～90%，能够为人类提供千年以上的能源。

我和课题组从2008年开始研究，提出了这种全新概念的次临界能源堆技术路线。我们认为，它是一个非常有希望、有前景的能源系统，它在安全、经济、持久、环境友好等方面都具备明显优势，而且技术上也容易实现。现在我们在做各种各样的深化论证，准备在2015年向国家提出一个完整的方案论证报告，让国内专家能够全面评估这个发展方向。

同时，我们在Z-Pinch驱动的惯性约束聚变堆研究中也提出了两项概念性的创新。一个是适合Z-Pinch应用的聚变点火和聚变能源的新概念靶设计，理论计算表明，这种靶可以较大幅度降低对驱动加速器电流的要求，展示了z-Pinch应用于聚变研究及能源的美好前景。该靶也可应用于激光驱动ICF，并可能降低激光器的设计制造难度。

另一个是在2009年，我们集成了在惯性约束聚变靶和次临界能源堆方面的研究成果以及国内外专家对Z-Pinch驱动器方面的判断，提出了Z-Pinch驱动聚变裂变混合能源堆概念，这是一个安全、经济、清洁、持久的能源系统。该概念得到院内许多同行专家的认同，一些国内核电专家和能源研究单位也对其表现出很大兴趣。当前，正积极准备争取获得国家支持。如果顺利，则有望成为2030年后核能的重要支柱。

记者：据了解，您还曾多年开展和平利用核爆炸的相关研究，这一设想可行吗？

彭先觉：作为核武器研究者，并不希望使用核武器，而是衷心希望核爆炸技术能够为人类未来的生存和发展作出重要贡献。我从1993年起，开始关注核爆炸和平利用问题的研究，曾经研究过利用核爆开挖大型涵洞，以实现把雅鲁藏布江水调入大西北的问题，更有重要意义的是与合作者一起提出了“核爆聚变电站的概念设想”，也就是利用核爆聚变的原理建设一个发电站。

经多年研究，我们已提出了解决问题的相应技术途径：可以把核装置的爆炸威力做到10ktTNT当量级，聚变份额大于90%，更为重要的是实现了烧氘，因而可以把人类的供能时间提高至万年以上（其他核能源只能供能几百年或千年左右）；通过爆洞和喷钠方式可以把爆炸能量安全地转变为热能和电能；可以利用爆炸释放的大量中子把钍-232变成铀-233，把铀-238变成钚-239，实现裂变材料的循环和增殖，并可以把获得的大量铀和钚用于热中子核反应堆。

这个过程中最难的，是如何保证爆洞能够持久地工作。但从最近的研究来看，也可以适当解决。从实施上讲，所有环节都在我们宏观的可控制的范围之内，没有特别多物理性难题。

与其他聚变能源途径相比，核爆能源有技术相对简明、造价低廉、利于实施的明显优势，最重要的它能为人类提供能源的时间也最长，所以我认为和平利用核爆炸是可行的，甚至可以说是简便的。但也有困难，那就是让人们接受起来不太容易，这也是这一路线实现的最大障碍。

总体来讲，还是刚刚介绍的新型混合堆更容易被人们接受，也适合作为稳定的规模能源满足现代社会发展的巨大需求，是真正有希望的千年能源。