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核弹院士彭先觉:可控核聚变,不必再等50年

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出品 | 网易科技《未来公开课》栏目

作者 | 章剑锋

可控核聚变“永远50年”的魔咒,可能要被一位核弹院士打破了。

当全球资本追逐磁约束“人造太阳”时,中国工程院院士、中国核试验专家组原组长彭先觉却直言:那条路“即使借助AI,也很难看到出路”,再过50年,也不一定能行。

他给出的Z箍缩驱动聚变裂变混合堆方案,目标是2032年左右建成、2040年商业化,度电成本约两毛钱,而且能彻底规避切尔诺贝利和福岛一类核事故。

一辈子从事核武器研发的彭先觉,自称是半路杀进了可控核聚变圈,但他创新性地提出可以将核裂变和核聚变相结合的混合路线,却在业界引发一场路线之争:迟迟没有结果的纯聚变到底可不可行?混合堆会不会才是最好的出路?

在《未来公开课》节目中,彭先觉院士分享了他的可控核聚变路线——Z箍缩聚变裂变混合反应堆,深入回答和澄清了当前不同路线的可行性疑难点。彭先觉对自己给出的路线显得信心满满,据他介绍,这是目前世界上能找到的一种最经济、且环境友好、也不存在无法逾越的技术障碍的方案,而其他路线都很难走得通。

核弹院士彭先觉:可控核聚变,不必再等50年

1、不用再等50年:2035年前后,可控核聚变有望商业发电

主持人:非常欢迎彭院士参加我们的节目,首先我想问一个大家非常关心的问题,就是说这个可控核聚变,永远50年,一方面总觉得遥遥无期,但是一方面,大家都愿意真的砸钱进去。那我非常担心的问题是说,万一要实现不了,怎么办,是不是会真的打击非常大,这个行业从此一蹶不振?您会有这种担心吗?

彭先觉:过去讲的永远的50年,主要还是针对磁约束聚变,甚至50年也不一定能行。

主持人:也就是说,它根本就不一定是50年能实现的问题。

彭先觉:但是像今天我们提出来的Z箍缩驱动的聚变,加上聚变裂变混合堆,这个不需要50年。

主持人:需要多少年?

彭先觉:也许在2032年左右就可以把它做出来。我们获得了很多基本数据以后,我们可以很快就把核聚变电站建起。原来的设想的话,是在2035年,当然我们还留了一点改进的空间,2040年可以实现商业化。它利用的场景的话,主要是城市的供热、取暖、海水淡化、工农业的改造,包括有一些工业的应用都可以。

主持人:所以这个实现的时间并不是太远?

彭先觉:当然一个重要的前提,就是要获得国家和社会的广泛的支持。我们准备在2030年以前,把主要的关键技术(落地)。Z箍缩驱动器、Z箍缩聚变,Z箍缩驱动器是分两步走,第一步还是比较传统的,一次性的。现在国家支持九院中物院一所建的五十兆安(MA)大科学装置,在这个装置上面就可以一次性放出300M J以上的能量,而驱动器的储能是80个M J左右,如果按照热能和电3:1的话,这个电也就是100M J的电,所以它这个就是聚变能源的一个非常重要的里程碑。

世界上现在所做的所有的聚变,最多是实现了这个科学上的能量增益,像NIF(美国国家点火装置)这样的科学增益可以到4,但是它到工程的增益,就是说整个能源系统输出的能量与输入的能量相比,它还远小于1。过去的一些磁约束的装置像JET,日本的和美国的,他们都实现过这个几十MJ,这种放能的聚变都做过,但是都没有达到工程的增益大于1,所以从这个角度来看的话,Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆是最快的。原则上从现在起,十年左右我们就可以看到,基本上能够作为能源的应用,甚至可以发出电。

2、从氢弹到聚变能源:这条路线,靠的是几十年核武研究打底

主持人:那也就是只有您这个路线是最可靠也是最可行的?

彭先觉:对。就是第一,我们关于聚变的这一部分,我们的物理的描述是完备的,驱动器这是一个电路,还有这个负载的电磁内爆,这个是由辐射磁流体力学所决定的,这些都有完整的描述,特别是经过过去氢弹研究几十年,所以这些过程的一些基本物理参数描述和计算程序,都是比较完备的。

主持人:它要应用到可控核聚变,就是您这个Z箍缩这个堆里面的话,是不是还得要进一步的去验证它?

彭先觉:我们现在就是物理和技术问题,我们已经闭环,就是从头到尾可以走通这个是没问题,从目前来讲,我们还要进行工程的验证,你比如说在五十兆安(MA)上面,我们要去实验我们那个靶,物理数据计算这个都没问题,那么我们要看看最终,就是跟我们过去做氢弹一样,你算完了以后,你还得到这个场地去做个实验,根据我们过去做武器的经验来看,包括现在数值模拟的这个能力也是很强。

3、一度电只要两毛钱:核弹院士的核聚变方案

主持人:那就是成本上怎么样,因为你要成为一个商业能源的话,我们都知道成本是很核心的对吧,你要是很贵,大家都用不起,那也不可行。

彭先觉:整个堆,我们现在是按照30亿美元左右来估算的,就是驱动器占三分之一,聚变氚工厂,聚变的靶的制造,氚工厂和核燃料循环,原则上也只有10个亿,包层和后边的发电等等,这也就是10亿美元,那我们发的电,应该是在100亿度电这样一个数字,所以原则上就在两毛钱附近。

主持人:两毛钱左右1度电,这个是相当便宜的。彭院士您这个信心很足,那您怎么去说服那些投资人?

彭先觉:现在应该说,还是比较受投资人的青睐,还是有很多人,当然他们一个是觉得我们说的还是基本上可信,这点跟我过去做武器有关。

主持人:您是核武院士,所以这个肯定不能瞎讲话。

彭先觉:因为现在聚变是聚变热嘛,国家也在提倡,那投资人当然也希望找一个相对来讲,比较可靠的一个方向。另外的话他们也有的人还是有情怀的,支持这个,因为如果我们这个做成的话,其实应该说世界还是领先的。

4、磁约束与激光约束:为什么这两条路都很难走通

主持人:那其他的技术路线怎么样?

彭先觉:其他技术路线原则上是归于两类,一类是磁约束就像刚才讲的,磁约束主要的问题,它原来的设想很好,它是希望把高温等离子体用一个磁笼来把它约束起来,但是这个高温等离子体很不稳定,很不稳定的话它就要破裂,特别是在托卡马克系统里面,它可能发生大破裂。这个破裂就意味着会失去约束。

主持人:也就是它的稳定,没有稳定性。

彭先觉:就是它,现在就是像EAST(东方超环)装置上面,它也就是稳态运行1000多秒。

主持人:也就是说它不可控。

彭先觉:它首先就不可控,它经常由于等离子体不稳定而失去约束,因为这是一个高温等离子体系,它的温度都是亿度级,所有的这个容器你根本都如果跟它接触的话,你都可能会被熔化气化,所以它会造成一定的破坏。当然还有其他的作用,比如说氚的渗漏等等这些问题,这个都是比较严重的。破裂的问题是磁约束聚变需要解决的一个根本性的问题。

主持人:目前看不到解决的办法?

彭先觉:现在就是说,即使借助AI,这个也很难看到出路。抗辐照材料也是因为等离子体不稳定产生大破裂造成的后果。

主持人:它就会把那个材料给击穿是不是?

彭先觉:使得材料上面会受到很强的电磁力,这个就是由一些基本的物理决定的,你要突破这些物理的障碍,你除非有新的办法。

主持人:现在是没有找到新的办法?

彭先觉:至少现在还没有。

主持人:激光聚变也是没有办法?它是不是比磁约束更难能源化?

彭先觉:现在美国利弗莫尔是建了一个很大的装置NIF,说是花了三十几亿美元,提供的这个能量是两个MJ,而且还是一次性的运行,所以他比如说要做到我们讲十个MJ以上,那他这还得乘五倍,那基本上是这样。

主持人:也就是它的投资会非常庞大。

彭先觉:另外也还要做成重复频率,重复频率驱动器的话,当然他们可能会有一些稍微新的技术,但是从基本物理来讲,你要做到重复频率10秒钟一次或者是1秒钟一次,并且是你要实现这种秒级的重复频率运行,现在的这个驱动器的技术不行,你必须使用完全新的技术,比如说有激光二极管这种,这是完全是固体激光,但这个成本也就不止是高一个量级。

主持人:也就是说它如果是要这个能源商业化可能根本不可行?

彭先觉:你激光也只能烧氘氚,氘氚你要实现氚自持吧。

主持人:它也得要实现氚自持?

彭先觉:氚不能自持,你这个氚从哪来。

5、“人造太阳”是编出来的故事?他主张从科学上纠正

主持人:那这也是很要命的问题。那为什么很多资本它要追逐那个纯聚变?就是磁约束的那个路线,既然说这个技术难度那么大,他们为什么还去追逐那个东西?这不就是一个幻想吗?

彭先觉:这个就是讲聚变的,过去的剧本都是他们编的,就是过去中学书里面讲聚变能源取之不尽用之不竭,这个我们研究以后,这些问题也要从能源的角度来做这种研究,你要从基本的物理出发。

主持人:它是不符合基本物理的规律,也就是说它是一个故事,它不是一个真的东西。

彭先觉:对。

主持人:那您说的那些话会不会也有一些人不爱听?毕竟(磁约束)它现在被认为是个主流路线。

彭先觉:基于物理的一些问题提出的看法,这些问题都可以讨论,也可以等待后边的验证。比如我们说某些路线你就是有困难,那你可以去走嘛,但是我们也不反对你去走。

主持人:但是需要科普给大家知道。

彭先觉:但是就是你要知道,我们现在不是说只实现一个聚变,它的目的是要做成能源。

主持人:也就是说聚变实验是可以做的,也可以成功。

彭先觉:这一定是可以的。

主持人:但是你这个聚变实验想要实现工程化、商业化(发电),真正成为一个普遍的可普及的能源,那这个可能就要打问号,对吗?可以这么理解?

彭先觉:是的。

主持人:而从科学家的角度来讲,就必须要为这个来负责。

彭先觉:所以你可以提出一个什么样的设想,但是你最终必须能闭环,从能源的角度来闭环。

主持人:那实际上您也是承认现在这个圈内领域当中,有资本在催生助长泡沫,是存在这种情况?

彭先觉:因为资本对这些问题不可能有深入的了解。

6、聚变加裂变才是未来能源?回应“不是人造太阳”的质疑

主持人:那网上有人说,彭院士这个路线根本不是人造太阳,就是裂变发电的改良版,连氢弹路径都不如。它不是大家理解的一个裂变堆是吧?

彭先觉:我们的结论也是很清楚,纯聚变很难做成能源,只有把聚变和裂变结合起来才能做出人类未来的高品质的一个能源。

当然有人去追求纯聚变,我们认为这个第一是困难的,第二你也是很不经济的。三十年以后看,我们国家磁约束路线还在做嘛,他们也可能过了二十年以后,他们可以做成能发出电来的一个装置,也许你再过十年二十年,你可以变成一个能源,但是会很贵。我们虽然有裂变,但是系统非常的干净,就是对环境没有影响。将来我们的电站,比如说分为两层,驱动器在地面一层,涉核的部分在地下一层,地下一层的话也是很安全的,我们是裂变的这一部分,也不会像裂变的它这个临界安全,出现像切尔诺贝利那种事故,还有余热的安全问题,像这个日本福岛这一类事故,我们都不会有。

主持人:是因为它的设置的那个机制,就是不会有这种事情发生是吗?叫深次临界是吧?

彭先觉:对。当然还有余热安全措施,我们也是都是长时间的,而不是说一两天,那就可以一直做下去没问题。

我们提出了一个新的处理反应堆乏燃料的一条技术路线,过去世界上这个问题并没有很好解决,我们完全是基于干法的来处理这个乏燃料。就是说整个过程就是对环境的污染最小实现起来也最方便。

主持人:可以把它(核废料)充分地烧掉是吗?

彭先觉:首先是要把东西制备出来嘛,然后才能放到堆里面去烧,这个因为它可以一直烧下去。

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