未來能源發展之路：新型次臨界堆

2016/12/21 14:13:37

人類生存和發展最重要的物質基礎是能源，而聚變能則是科學家心目中追求的未來能源的理想目標。這是因為聚變產物與裂變產物相比，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，經過半個多世紀的研究，人們發現，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志有：安全性、經濟性、持久性和環境友好性。聚變能與裂變能相比，在安全性和環境友好性上存在優勢，但在經濟性和持久性上則有很大差距。

首先看經濟性。目前，聚變能源研究的主要技術路線有3條：磁約束聚變（Tokamak方式）、激光驅動慣性約束聚變和Z箍縮驅動慣性約束聚變。就磁約束聚變而言，一是建造規模大、技術復雜、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）；二是運行控制難度高，能量生產效率低（運行需消耗自身發電量的50%以上，因此大大增加運行成本）；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構材料經過多年（10年左右）聚變高能中子輻照后，仍有足夠的強度。因為等離子體破裂現象難以避免，而等離子體大破裂會產生極大的帶有破壞性的電磁力。但現有材料的抗聚變高能中子輻照能力尚不足商用堆標準的三分之一，如何讓材料達標成為技術上的大難題。

此外，材料的抗輻照能力還直接關系到堆運行的經濟性（更換等離子體外的包層既困難又費時）。就激光驅動和Z箍縮驅動慣性約束純聚變而言，實現聚變，都需要在約10納秒左右的時間內，向聚變靶丸輸送約10MJ級的能量，因而驅動器建造成本很高。激光驅動由于需要實現秒級重復頻率運行，故要選用二極管泵浦固體激光器，預計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箍縮驅動純聚變電站，由于驅動器運行只能10秒左右一次，故需10個爆室，10臺驅動器聯合運行，其造價也可能超過100億美元。由此可見，純聚變商用堆，無論采取哪種技術路線，在經濟上都沒有競爭力。

再來看持久性。持久性主要取決于技術路線和資源。聚變的問題是，實現聚變并不難，但要實現能源規模的聚變卻非常困難。目前，能夠實現較大規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。因此聚變能源的持久性就取決于鋰-6的資源量。從現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。實際上，純氘非常難燒，當前的科學技術根本做不到這一點。

總之，純聚變能源在兩個最重要的方面不如裂變能源，而裂變能源經過多年的努力，在安全性和環境適應性方面也有了長足的進步，因此純聚變能源沒有競爭力。但聚變時產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展道路。由中國工程物理研究院研究團隊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，這就使聚變能技術有可能得以應用；可以實現持續燒鈾-238和釷-232，能夠把鈾、釷資源最大限度地利用起來，可以為人類供能數千年；可用“簡便方法”進行核燃料的循環，換料周期5年以上，可實現低成本運行，因而具有很好的經濟性；具有天然的安全性，并能嬗變掉堆反應過程中產生的長壽命核素，環境友好性極佳，可以做到不需場外應急系統。