科技公园文/周丽
众所周知,人类目前可知和可预见的未来发展,都严重受限于能源。不可再生的化石能源,包括石油煤炭天然气等等,都将在百年之内面临枯竭。而可再生能源,如太阳能和风能,能否成为未来基荷能源的主力尚存在许多不确定性。人类未来能源的一条重要出路就是核能。而一切攸关人类前途命运的事业,全在创新之中。
展望未来能源,Z-箍缩聚变裂变混合堆(简称Z-FFR)能够有效应对未来能源危机和环境、气候问题,成为最具竞争力的未来千年能源。由于安全性的完满解决,Z-FFR可靠近城市建造,因而可方便地实现热电联供。由于能源供应非常充足、且价格便宜,人类还可以把它用于海水淡化、高效农牧业、食物合成等,这将极大地改变人类的生产方式和生存环境。目前,聚变-裂变混合堆尚处于规划实施阶段,预计2028年进行聚变技术验证(聚变放能数百MJ),2035年将进行100万千瓦电站工程演示,2040年左右实现商业应用。中国只要能把这第一步验证聚变走通,它也将是是改变历史级的贡献。后面的路就主要是工程问题,研究认为,没有不可逾越的障碍。因此,Z-FFR将是能源领域的一项颠覆性技术。
核聚变能研究多年 竞争人类终极能源
对于核聚变能,人们一直寄予着美好的希望,认为这是一种清洁、干净的核能,其资源可取之不尽、用之不竭,是人类的终极能源。这一认识写进了教科书,甚至写进了国内各种级别的能源发展战略和规划,并吸引着许许多多的科学家为实现这一理想而奋斗着。
中国工程院院士彭先觉从事核聚变能研究多年,对聚变能的未来前景作过非常认真的研究和思考,其见解具有重要意义。彭先觉,湖南湘潭人。1964年毕业于哈尔滨军事工程学院原子工程系,同年分配至二机部九院理论部从事核武器的理论研究及设计工作。他曾任科研组长、研究室主任、所副总工程师、副所长等职,1995年调任院副总工程师、科技委副主任,1999年起任院科技委主任,同年当选为中国工程院院士;1993年起兼任原国防科工委核试验专家组组长(两组长之一),2002年任总装备部科技委兼职委员。曾兼任中国核学会副理事长、中国物理学会理事,现为博士生导师,天府创新能源研究院院长。
虽然身为核武器的研究设计者,但是彭先觉并不希望有朝一日将之用到战争当中,而是更盼望着能够利用核爆炸技术为人类未来的生存与发展作出重要贡献。他曾研究过利用核爆开挖大型涵洞。在“核爆聚变电站的概念设想”中,他提出了解决问题的相应技术途径:可以把核装置的爆炸威力作到10ktTNT当量级,聚变份额大于90%,更为重要的是实现了烧氘,因而可以把人类的供能时间提高至万年以上(其他核能源的供能时间都只有几百年或千年左右);通过爆洞和喷钠方式可以把爆炸能量安全地转变为热能和电能;可以利用爆炸释放的大量中子把钍-232变成铀-233,把铀-238变成钚-239,可以实现裂变材料的循环和增殖,并可以把大量获得的铀和钚用于热中子核反应堆。他相信,与其他聚变能源途径相比,核爆能源有技术相对简明、造价低廉、利于实施的明显优势,将是人类持久能源的备用方案。
打造未来基荷能源主力 愿原子能时代早日到来
彭先觉对核能与可再生能源的经济性问题,作了如下的分析讨论:
对电站而言,最重要的几个指标是,建造成本、平均每年发电量(kWh)、平均每年的维护运行成本和使用寿期。对热中子电站,维护运行成本较低,光伏电站也是如此,故可以先忽略维护运行成本,以建造成本除以半寿期发出的总电量算作基础电价(或称成本价),然后进行比较。
对于太阳能电站,建造一个百万千瓦电站花费约70亿元人民币(以下简称元),每年发电约1500小时(相当全功率发电小时数),全寿期30年,故算出基础电价为0.31元/kWh。
对三代核电站,建造一个百万千瓦电站花费约200亿元,每年发电约7500小时,全寿期60年,在先忽略乏燃料处理费用的条件下(未来这一任务可由Z-箍缩聚变裂变混合堆或快堆来完成),可算出基础电价为0.089元/kWh。故在光伏电站不考虑储能,核电站在不考虑后处理的条件下,核电成本价格只有光伏电的三分之一左右(这一点为当前电价成本价估计所认同)。
作为基荷能源,光伏电站必须考虑储能问题。方法之一是用性能较优良的锂电池储能。一般来说,总得要有2-3天的发电储量。而其储能的花费甚至远超光伏建造成本,初步分析如下:
以锂电池的储能中,电池价格700元/kWh计(连同上网设施,要大于1000元/kWh),100万千瓦储能2天(48h×106kW)需花费约500亿元,分给5个100万千瓦电站,每个100亿元,即每个100万千瓦光伏电站的初始造价就得翻1.5倍。而光伏电站的寿命30年,锂电池寿命只有5-7年(充放电1500-2000次),在电站全寿期内要更换3-5次储能电池,即使按3次计,每个光伏电站作为基荷能源的成本还得再翻倍,达到370亿元/百万千瓦以上的水平,而发电量只有核电站的五分之一,故锂电池电站成本将超核能电站一个量级以上。
另一种解决储能的办法是制氢,其路线是:光伏电站 → 电解水制氢 → 储运氢气 → 氢燃料电池发电;或者→氢氧燃烧作驱动能源。第一条路线在光伏电站之上要增加制氢成本、储运氢成本、氢燃料电池发电成本。从这个过程来看,制氢的能量效率约60%左右,氢燃料电池的能量效率为80%左右,故此过程电能要损失一半以上。而制氢和氢燃料电池的成本都非常高昂。
第二条路线能量损失的比例将更大(内燃机效率小于30%),总的能量效率只有20%左右,安全性也较差。
此外,可再生能源,包括光伏和风电,都需要占用大量的地球资源(如土地、特殊金属等),对环境也会造成一定的影响。对未来核能来说,若四代快堆建成,建堆成本若能控制在400亿元以内,则较之可再生能源经济上仍然会有很强的优势;若Z-箍缩聚变裂变混合堆成功,它一个堆的建造成本约200亿元,而发电可达100-200万千瓦,堆址使用寿命将超100年,还具有固有安全本质,核废料更少且易处理,可以抵近城市建造,容易实现热电联供,因而经济性较之三代堆有大幅提高,作为基荷能源,与可再生能源相比成本将有量级的差别。
彭先觉认为,核能应该成为未来基荷能源的主力,并期望人类真正原子能时代早日到来。国家应逐步树立核电作为未来主力基荷能源的目标。未来的能源应是核能(实现输出功率可调)与可再生能源形成的共生智慧能源系统(核能是分布式基荷能源,可再生能源不需额外大的储能系统)。
彭先觉坚守一线 盼Z-FFR早日诞生
聚变与裂变的结合,可以利用裂变技术解决聚变难题,利用聚变技术克服裂变瓶颈,巧妙地实现综合性能的突破性提高。以Z-箍缩来驱动惯性约束聚变,具有驱动器原理和结构简明、造价低廉、能量转换效率高的优势。Z-FFR,以裂变放能为主,聚变只占总功率的5%左右,大大降低了聚变作为能源应用的要求;对裂变堆而言,由于聚变高能中子的加入,通过巧妙的设计,可以更发扬其长处,改善甚至去除其缺点,使之成为一种优质能源。概念研究表明,一个堆只需一台驱动器;裂变堆以金属天然铀锆合金为核燃料,水作传热、慢化介质,可实现10倍以上的能量放大,并能实现易裂变核素的增值,因而可用“干法”进行核燃料循环,出堆的放射性核废料每年仅200kg左右;5年换料,换料时可加入5t贫铀或钍继续燃烧,铀资源的利用率达90%以上,故这种方式可单独维持人类数千年的能源供给。此外,它安全性极好,裂变堆始终处于深次临界状态,不会有临界安全事故,且可容易设置几种非能动余热安全系统,从根本上解决了核能的安全性问题,这也为分布式核能源格局奠定了基础。这种堆造价估计在200亿元左右,经济性和环境友好性都很好。所以,未来的能源将会在太阳能、快堆和Z-FFR之间竞争,而Z-FFR将具有作为基荷能源的明显优势。
关于核能的“干净性”问题。彭先觉认为,核能都会产生放射性,纯聚变也不例外。因此,“干净性”主要指放射性物质产生的数量和形态能否方便对它进行有效的控制和管理,使之不对人类和人类的生存环境造成伤害,且经济代价适当。无疑,裂变产生的放射性物质数量比聚变多,但Z-FFR由于采用“干法”处理,每年出堆的核废料量已很少,处理起来将比较方便,其他的放射性核素都会在堆中被焚烧掉。因此,对裂变堆放射性问题的讨论,要视具体情况,不能一概而论。也就是说,相比于纯聚变,Z-FFR在“干净性”上并不明显逊色。
作为我国老一辈核能物理学家,在他的科研生涯中,彭先觉不仅见证了新中国成立以来的繁荣与发展,而且始终想的是为祖国建设和人类未来的生存和发展贡献智慧与力量。他用他的成绩在中国核能物理史上写上了浓墨重彩的一笔。大规模核能是人类未来发展的必然途径,结合彭先觉院士的研究心血,我们都期待着未来新型核能源—Z-FFR的早日诞生。
