純聚變電站難以成為有競爭力的未來能源
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核能應用的有效途徑:聚變與裂變巧妙結合
2019-06-21 17:06
來源:科技日報
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  純聚變電站難以成為有競爭力的未來能源

  一種能源的優劣,可用安全性、經濟性、持久性和環境友好性來評價。以此衡量,未來可支撐人類長期生存發展的能源大致有太陽能,核能中的快堆、聚變堆和聚變裂變混合堆。

  太陽能的優勢是安全性、持久性(光伏電站的持久性將取決稀有金屬元素儲量及可回收性)和環境友好性。劣勢是間歇性、分散性和經濟性,能否成為穩定的規模能源,保證大城市的能源供應,則取決于儲能技術的發展,而儲能在技術上是個難題,這將嚴重影響它的經濟性。

  核能的優勢是穩定、持續、規模化。核能中的快堆,可把鈾資源的利用率提高至60%左右,即使是地球陸地上的資源,也可單獨維持人類能源供給千年以上,所以是一種持久能源。劣勢是經濟性不很好,技術上依賴于鈾、钚核燃料核循環,并對環境有一定的影響,其安全性大致與壓水堆相當,但運行中要更加小心。聚變能就當前來說還是科學技術上的一大難題,實現聚變的主要途徑有磁約束和慣性約束,慣性約束聚變必須有驅動器來創造條件,最有可能的驅動器是激光器和Z-箍縮驅動器。但無論是哪種途徑,經濟性都很差。以規模為百萬千瓦電功率計,對Tokamak型磁約束商用電站而言,其造價將超過100億美元,且運行控制難度大,發出的電有近50%將自耗(電站能量增益Q值小于3)。目前來看,還有諸多的問題,如氚自持、等離子體破裂、材料抗輻照能力等都存在著一定的技術風險。對激光聚變,秒級重復頻率運行的激光器是最大困難,其造價將遠超100億美元;其次還有一些激光應用于能源時所面臨的材料、環境方面的困難。對Z-箍縮驅動聚變也是如此,現在驅動器的運行頻率是0.1H z,要10臺以上的驅動器并聯才能建成一個電站,因此電站的造價也將超過100億美元,且也將面臨長期穩定運行方面的困難。而且無論是激光還是Z-箍縮,能量生產效率都較低(Q值5左右)。所以,純聚變電站經濟性都不好,還存在一定的技術風險,不是一種有競爭力的未來能源。

  Z-FFR是未來規模能源強有力的競爭者

  聚變與裂變的巧妙結合,是核能應用的有效途徑。

  可以利用裂變技術解決聚變難題,利用聚變技術克服裂變瓶頸,實現綜合性能的突破性提高。以Z-箍縮來驅動慣性約束聚變,具有驅動器原理、結構簡明,造價低廉、能量轉換效率高的優勢。

  Z-FFR,以裂變放能為主,聚變只占總功率的5%左右,這就大大降低了聚變作為能源應用的要求;對裂變堆而言,由于高能聚變中子的加入,通過巧妙的設計,可以更發揚其長處,改善甚至去除其缺點,使之成為一種優質能源。概念研究表明,一個堆只需一臺驅動器;裂變堆以金屬天然鈾鋯合金為核燃料,水作傳熱、慢化介質,可實現10倍以上的能量放大,并能實現易裂變核素的增值,因而可用“干法”進行核燃料循環,出堆的放射性核廢料每年僅200kg左右;5年換料,換料時可加入5t貧鈾或釷繼續燃燒,鈾資源的利用率達90%以上,故這種方式可單獨維持人類數千年的能源供給。

  此外,更重要的是它安全性極好,裂變堆始終處于深次臨界狀態,不會有臨界安全事故,且可容易設置幾種非能動余熱安全系統。可以說,這從根本上解決了核能的安全性問題,這也為分布式核能源格局奠定了基礎。這種堆造價估計在30億美元左右,經濟性和環境友好性都很好。未來的能源將會在太陽能、快堆和Z-FFR之間競爭,而Z-FFR將具有作為規模能源的明顯優勢。

  聚變難以成為取之不盡用之不竭的能源

  目前聚變都是以氫的同位素氘、氚作燃料,而氚是放射射性核素,半衰期12.3年,自然界不存在,主要用中子轟擊鋰-6產生。因此,可開發利用的聚變能量就取決于鋰-6的儲存量。從目前地質勘探的情況看,陸地聚變能的存儲量僅為陸地鈾裂變能儲存量的三分之一左右,故以氘氚為燃料的核聚變能不可能長期支持人類的能源供給。原本意義的取之不盡,主要是寄希望于氘氘聚變。但除核爆的方式外,其他方式的氘氘聚變能從物理上講幾乎不可能。

  由于氘氘聚變反應速率比氘氚低近兩個量級,要實現氘氘聚變,必須較大幅度提高燃燒等離子體的溫度和密度,增加對等離子體的約束時間。這樣做帶來的工程、材料等的困難且不說,加熱等離子體的功率恐怕有數倍的提高,于是電站不可能有能量輸出,慣性約束聚變情況也一樣。從靶丸壓縮的角度看,即使用更多的能量來壓縮,壓縮度不可能有明顯提高。要使氘氘燒起來,只有成量級增加聚變燃料的質量,而要求驅動器提供的能量則需提高近兩個數量級。這樣的系統,能量增益會遠小于1,根本談不上做能源。終極能源的說法是一種美麗幻想,甚至是一種誤導。

  此外,核能會產生放射性,純聚變也不例外。因此,“干凈”不是一個絕對的概念,關鍵是放射性物質產生的數量和形態,能否方便對它進行有效的控制和管理,使之不對人類和人類的生存環境造成傷害,且經濟代價適當。

  裂變產生的放射性物質數量比聚變多,但如果以Z-FFR采用“干法”處理,每年出堆的核廢料量已很少,處理起來將比較方便,實際上,相對于Z-FFR而言,純聚變在“干凈”性上的優勢非常有限。

  (作者彭先覺,系中國工程院院士,從事核聚變能研究多年,1993年開始關注我國核爆炸的和平利用問題,1996年與合作者一起提出“核爆聚變電站的概念設想”,并形成了較為完整的核爆聚變電站的設想方案)


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