核聚变与未来能源

彭先觉，原子核物理学与核能专家。1999年当选为中国工程院院士。曾任中国工程物理研究院科技委主任，国家磁约束聚变专家委员会主任，中国核学会副理事长。长期从事核武器理论研究和设计，为我国核武器设计水平在主要指标上进入世界先进行列作出了重要的贡献。2008年，原创性提出Z箍缩聚变裂变混合堆（Z-FFR）概念。曾荣获国家科技进步奖一等奖4项、二等奖2项、三等奖2项。

能源是人类生存发展最重要的物质基础。获得清洁、经济、便利、持久能源，是当前世界各国为之努力奋斗的重要目标。在未来能源中，聚变能的开发应用有着特别重要的意义。我国已把发展聚变能源科学技术列入国家长期规划和“十五五”规划之中，力争把未来能源的命运掌握在自己的手中。

核聚变的基本原理

核能包括核裂变与核聚变。核裂变是1个重的原子核分裂成2个以上中等质量原子核，而核聚变是2个轻原子核结合成1个较重原子核。不论是核裂变还是核聚变，其能量来源都是核反应前后发生了质量亏损，按照爱因斯坦的质能关系式，这些质量转换蕴含着巨大能量。

核聚变发生的条件非常苛刻，主要原因是原子核间存在强大的库仑斥力，参加反应的原子核必须具有足够的动能才能彼此靠近，从而有机会发生聚变反应。通常只有原子序数很小的轻核才有较大的概率发生此类反应。例如，氢的同位素氘和氚之间的聚变反应是最容易发生的，也是科学家研究的重点。增加聚变反应概率的主要方法是把氘氚燃料加热至上亿度的高温，此时燃料处于等离子体状态，大量原子核通过无规则碰撞增加反应机会，故核聚变反应又称热核反应。大家熟知的热核武器（氢弹），国际热核聚变实验堆（ITER）等名称都是由此而来。

对于一个聚变能源系统，我们首先关心的是能量增益问题。通常把聚变释放的能量与外界输入的能量之比叫做聚变科学增益。进一步，聚变发出的电能与外界输入的电能之比叫聚变工程增益。还有一个形象化的概念是“点火”，犹如火柴点燃火把。它指的是外界辅助手段撤销后，仅依靠热核反应放能使系统温度维持不变或持续上升，聚变反应得以自持进行的状态。比如，我们熟知的美国国家点火装置（NIF）2022年底实现“点火”的历史性突破，聚变科学增益达到1.5。

可控核聚变的主要技术路线

在地球上实现人工可控核聚变途径主要有惯性约束聚变和磁约束聚变两类。也有一些途径介于二者之间，即所谓的磁惯性约束，但可依据其主要特征归入前面两类。

一是惯性约束聚变。惯性约束聚变利用驱动器提供的能量，对含氘氚燃料的靶丸进行内爆压缩，使其达到高温、高密度从而进入点火和自持燃烧状态。由于受高速向心运动惯性的约束，燃料在还来不及明显飞散的情况下，便释放出足够的能量，整个过程在纳秒时间尺度内完成。惯性约束聚变是脉冲式运行的，每一发靶丸放能相当于一次微缩氢弹爆炸。通过控制放能的规模和频率，靶室和包层设计，可以实现系统安全准连续运行。我们的研究表明，要实现千兆焦级聚变放能，驱动器必须在10纳秒左右的时间向靶丸输送10兆焦以上能量。目前，只有Z箍缩电磁驱动器和激光器具备这种能力。激光聚变技术主要应用于武器物理和高能密度物理研究，原则上不支持能源应用。Z箍缩驱动器技术简明、造价低廉、能量充足、转换效率高、具备重频长寿命运行潜力，更适合发展为聚变裂变混合能源，提高综合竞争力。

惯性约束聚变基本物理与氢弹过程相同，理论描述较为完备、数值模拟置信度高。这已为氢弹试验、NIF装置实验和大量的实验室分解实验所证明。我们针对能源应用目的开展了靶的创新设计和优化，作为能源应用的可行性有望在2030年前后建成的电磁驱动大科学装置上得到验证。如果这个目标实现，必将极大地增强国际社会对聚变能源开发的信心。瞄准能源应用目标，我们正在加快研发具备重复频率运行能力的Z箍缩驱动器，并可能驱动1个200兆瓦级别的聚变单元。按此设想，12个聚变单元组合起来就可以形成一个百万千瓦级纯聚变电站，但这样的电站难以实现氚自持，且造价高昂，不是有竞争力的能源系统。

二是磁约束聚变。磁约束聚变利用外部手段将低密度的氘氚等离子体加热到高温状态，同时利用磁场来对等离子体进行约束。它的初衷是希望实现持续的聚变核反应放能。我们知道，带电粒子在磁场中会沿磁力线运动，若磁力线闭环，编成磁笼，则高能的带电粒子就不会与容器壁接触，系统也就可能持续运行。与惯性约束相比，磁约束等离子体密度更低、约束时间更长，但温度相当。不论哪种聚变方式，等离子体密度、约束时间、等离子体温度三者的乘积即所谓的聚变三重积，必须达到一定要求才能实现聚变增益。

磁约束聚变研究长期处于开放状态，国际合作交流充分，进展比较明显。我国加入ITER计划后，磁约束聚变研究水平有了质的提升，已经迈入国际第一方阵，在非氘氚等离子体长脉冲运行、ITER采购包任务、聚变工程建设等方面处于领先地位。

总的来看，磁约束聚变技术非常复杂，燃烧等离子体稳态运行控制非常困难。借助人工智能或许可以减少等离子体大破裂概率，但无法杜绝此类事件。考虑到面向等离子体材料在高能中子长期辐照下热学、力学性能会严重下降，此时叠加等离子体大破裂事件将对第一壁和偏滤器带来不可承受的热、力冲击。

核聚变作为未来能源仍面临多重约束

在已知的能源类型中，核聚变可以说是绝大多数人心目中的理想能源。我们经常可以在科普文章中看到这样的说法：一升海水中的氘发生聚变释放的能量相当于300升汽油；聚变能取之不尽、用之不竭。这类说法的前提是氘氘聚变实现商业应用。现在已经很清楚，最容易实现的是氘氚聚变，但氘氚系统短期内发展为成熟聚变能源仍面临很大挑战。我们从能量平衡的角度出发，研究了氘氘系统的燃烧问题，结论是维持系统持续燃烧外界提供的能量远大于聚变释放的能量，故难以做成能源。因此，聚变能源只能烧氘氚，纯聚变的供能时间实际上取决于地球上可经济获得的锂和铍的储量。

锂的供能时间约为成百上千年。锂的同位素锂6和中子反应可以产生氚。高能中子和铍反应可以使中子数增加，提高产氚效率。金属铍的资源储量仅约8.5万吨，无法支持大规模发展聚变能。原则上可以用铅代替铍，但会对氚自持带来更严重的挑战。金属锂已探明储量约3700万吨，每吨蕴含聚变能量为27拍焦（1拍=1015）。2024年全球一次能源总供给为592艾焦（1艾=1018）。由于聚变主要以发电的方式供能，假设热电转换效率为1/3，则金属锂的供能时间约500年。考虑到未来可能会有更多的锂资源被发现，锂的供能时间约为成百上千年。

聚变堆尚未形成技术闭环，商用有很大不确定性。当前，可控核聚变的主要成果集中在等离子体物理领域。磁约束聚变科学增益大于1有望在2030年代得到实验证实，氘氚燃烧等离子体物理科学问题还有待深入研究。后续还需突破聚变工程增益大于1。氚能否自持目前尚无定论，原因是真实包层结构的实验数据非常匮乏，高温氚渗漏的影响目前也难以评估。期望的聚变堆抗高能中子辐照材料研发进展缓慢，可能成为长期运行的瓶颈。包层换热研究还非常初步，缺少相关试验台架和设施。总的来看，上述关键领域技术亟须突破，最终集成验证才能形成技术闭环。

聚变堆面临可用性和经济性的严重挑战。以ITER为代表的磁约束聚变堆高度复杂。未来要发展商用聚变堆必须考虑系统长期运行的可靠性、可用性、可维护性和可检测性（RAMI），以及经济性。国外有公司宣称2035年聚变商用，具有极大的误导性。2035年也许可以建成一个有一定放能规模、能演示短时发电的装置，但其聚变增益和每年有效利用小时数肯定达不到商业发电要求。另外，一个百万千瓦电功率的聚变堆，无论是磁约束还是惯性约束，其建堆成本都在千亿元人民币量级，是自主三代压水堆的5倍。据估计，若按现有技术路径，聚变堆装机规模翻倍仅能实现2%—8%的成本下降，远低于光伏电站24%的学习率。聚变堆前期成本下降极慢，不具备短期内规模化扩张的可能。如果不出现颠覆性的技术突破，在可预见的未来，比如到2060年，聚变堆大概率无法和裂变堆开展经济层面的竞争。

聚变堆安全性和放射性需慎重处理。与裂变堆相比，聚变堆固有安全性更好，不会发生堆芯熔毁事故，不会产生长寿命的放射性核素。但是，聚变堆运行涉氚量大，氚具有很强的放射性，环境排放量需要严格控制。另外，高能中子和结构材料不可避免会发生活化反应，产生大量半衰期数年至数十年产物。聚变堆包层各种材料总装量为数千吨量级，比裂变堆高一个量级，这些材料卸出后同样需要慎重处理。

聚变能应用的出路在于聚变与裂变的结合

聚变和裂变同属核能，二者同根同源，相辅相成。聚变所需的首炉氚，通常需要由裂变堆生产出来。假如聚变堆无法做到氚自持，运行过程中若有缺口，那么还需要专门配备裂变堆来产氚。聚变堆材料研发、锂的浓缩、放射性废物处理、聚变堆主机安装建设等都高度依赖核工业长期积累的设施和技能。因此，有观点认为聚变能应用的出路在于聚变与裂变的深度结合。Z箍缩聚变裂变混合系统能够充分发挥聚变和裂变各自的优势、扬长避短，能够形成具备全面竞争力的能源解决方案。

Z箍缩聚变裂变混合堆（Z-FFR）系统由一个聚变功率200MW的聚变单元和一个深度次临界包层构成。聚变高能中子在包层内引发裂变，实现能量放大和中子倍增。包层能量放大倍数大于10倍，氚增殖比可达1.2。由于聚变放能规模降低10倍，经济性大幅提升，高能中子对结构材料的辐照损伤得到极大缓解。由于氚增殖比较高，在实现氚自持的同时，每年还可以额外生产1公斤左右的氚。

有人担心混合堆引进了裂变，会产生长寿命放射性核素、不是清洁能源。实际上，我们可以采用“干法”进行核燃料循环，并把半衰期10年以上的核素都放回包层焚烧，其他较短寿命的核素提取后可作医用或工业应用。与纯聚变堆相比，需处理放射性基本相当，不会对环境造成不利影响。

混合堆分地面层和地下层，两层实行严格的物理隔离。地面层放置驱动器，占地面积约1万平方米。涉核部分处于地下层，包括靶室、包层、换靶机构、靶及RTL装配间、换料机构、“简单干法”处理间、发电系统等。

至今，Z-FFR已完成了较为全面、深入的理论研究及部分实验研究，实现了从物理到技术的闭环，也未发现工程、材料层面根本性、不可逾越的障碍，可以着手推进工程验证及演示阶段的工作。按照相关研究设想，力争在2040年左右实现商业化应用。

Z箍缩聚变裂变混合堆的主要优点如下。一是固有安全。混合堆处于深度次临界，结合先进的非能动余热排出系统，可消除临界安全事故并保证余热安全。涉氚操作布置在地下，确保不会发生氚泄漏。基于上述安全特性，混合堆可抵近城市建造，形成更加安全可靠的分布式能源格局。二是经济高效。一座百万千瓦混合堆电站建造成本约200亿元人民币，与自主三代压水堆相当。采用热电联供方式可进一步提高能量使用效率，改善经济性。三是资源利用高效。在高能中子的加持下，铀、钍资源利用率可大于90%。按照一个百万千瓦混合堆电站每年消耗约1吨铀、350公斤天然锂估算，地球陆地的铀和锂资源可为全人类供能成千上万年。四是灵活兼容。该系统能充分利用热堆乏燃料和贫铀，可大力支持三代热堆快速发展。由于输出电功率可快速大幅度调节，容易与可再生能源形成高效智慧能源系统。

总之，未来理想能源应该是核能与可再生能源组合形成的高效智慧能源系统。核能有望在未来能源体系中承担基荷作用，并为2060年发电占比达到20%左右提供支撑。与此同时，聚变能仍处于从科学验证走向工程验证的关键阶段，既不宜低估其长远价值，也不宜脱离技术阶段和资源约束作出过于乐观的判断。更稳妥的路径，是持续推进磁约束、惯性约束特别是Z箍缩聚变裂变混合堆等多元探索，同时发挥裂变能和可再生能源各自优势，形成安全、清洁、经济、持久的组合能源体系。能源转型没有单一答案，未来能源格局也很可能不是某一种技术“一统天下”。坚持科学论证、工程验证和审慎决策，在开放合作中提升自主创新能力，才能把未来能源的命运掌握在自己手中。