新型次临界能源堆:聚变+裂变=未来能源发展之路

2013-7-10 11:18 来源: 科技日报
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  人类生存和发展最重要的物质基础是能源,而聚变能则是科学家心目中追求的未来能源的理想目标。这是因为聚变产物与裂变产物相比,具有少得多的放射性,尤其是基本没有长寿命的放射性核素,因此有安全、清洁能源的美称。然而,经过半个多世纪的研究,人们发现,聚变能要成为有竞争力的能源还有很长的路要走。

  作为未来能源,衡量其竞争力的主要标志有:安全性、经济性、持久性和环境友好性。聚变能与裂变能相比,在安全性和环境友好性上存在优势,但在经济性和持久性上则有很大差距。

  首先看经济性。目前,聚变能源研究的主要技术路线有3条:磁约束聚变(Tokamak方式)、激光驱动惯性约束聚变和Z箍缩驱动惯性约束聚变。就磁约束聚变而言,一是建造规模大、技术复杂、成本高(100万千瓦电站成本估计超过100亿美元,一般热中子电站不到20亿美元,快中子电站可能加倍);二是运行控制难度高,能量生产效率低(运行需消耗自身发电量的50%以上,因此大大增加运行成本);三是材料抗辐照问题。磁约束聚变要求面向等离子体材料和结构材料经过多年(10年左右)聚变高能中子辐照后,仍有足够的强度。因为等离子体破裂现象难以避免,而等离子体大破裂会产生极大的带有破坏性的电磁力。但现有材料的抗聚变高能中子辐照能力尚不足商用堆标准的三分之一,如何让材料达标成为技术上的大难题。此外,材料的抗辐照能力还直接关系到堆运行的经济性(更换等离子体外的包层既困难又费时)。就激光驱动和Z箍缩驱动惯性约束纯聚变而言,实现聚变,都需要在约10纳秒左右的时间内,向聚变靶丸输送约10MJ级的能量,因而驱动器建造成本很高。激光驱动由于需要实现秒级重复频率运行,故要选用二极管泵浦固体激光器,预计100万千瓦纯聚变电站仅激光器的造价就在100亿美元以上;而Z箍缩驱动纯聚变电站,由于驱动器运行只能10秒左右一次,故需10个爆室,10台驱动器联合运行,其造价也可能超过 100亿美元。由此可见,纯聚变商用堆,无论采取哪种技术路线,在经济上都没有竞争力。

  再来看持久性。持久性主要取决于技术路线和资源。聚变的问题是,实现聚变并不难,但要实现能源规模的聚变却非常困难。目前,能够实现较大规模聚变的途径只能是烧氘氚,氚是放射性元素,半衰期12.3年,自然界中不存在,只能由中子辐照锂-6来生产。因此聚变能源的持久性就取决于锂-6的资源量。从现在已探明的资源来看,锂资源可提供的能量总量只有铀资源(按铀-238裂变计)的三分之一。我们过去说的聚变能可取之不尽、用之不竭是针对烧氘而言的。实际上,纯氘非常难烧,当前的科学技术根本做不到这一点。

  总之,纯聚变能源在两个最重要的方面不如裂变能源,而裂变能源经过多年的努力,在安全性和环境适应性方面也有了长足的进步,因此纯聚变能源没有竞争力。但聚变时产生的高能中子能够引起铀-238和钍-232裂变,如果把聚变-裂变很好组合起来,则有可能成为一条很好的未来能源发展道路。由中国工程物理研究院研究团队提出的新型次临界能源堆概念,可以与各种聚变中子源相结合形成聚变-裂变混合堆。该次临界堆能够在以天然铀为初始燃料的情况下,把能量放大10倍到20倍,这就使聚变能技术有可能得以应用;可以实现持续烧铀-238和钍-232,能够把铀、钍资源最大限度地利用起来,可以为人类供能数千年;可用“简便方法”进行核燃料的循环,换料周期5年以上,可实现低成本运行,因而具有很好的经济性;具有天然的安全性,并能嬗变掉堆反应过程中产生的长寿命核素,环境友好性极佳,可以做到不需场外应急系统。