科技公园文/田梦
我国已经向全世界宣布将在2060年之前实现碳中和，这个目标如何达到是许多国人关心的问题。目前我国有200多个百万千瓦以上的燃煤发电厂，其发电量占比高达71％，燃煤发电仍是当前最主要的发电类型，燃煤发电厂是我国电力供应的主力，同时也是排放二氧化碳、二氧化硫及PM2.5的主力。要想实现碳中和的目标，首先要拆除燃煤发电厂，废止燃煤发电，其次是解决社会保有量为3亿辆汽车的污染排放问题，但这两件事情是不容易办到的。
据不完全统计，全国总发电量约为7.42万亿千瓦时，如果将所有燃煤发电厂拆除，我国的电力供应如何解决？有人说可以发展水力发电来补充，我国的水力发电潜力大，如从喜马拉雅山的雅鲁藏布江建设一条通向新疆的藏疆大运河，不但可以灌溉新疆的戈壁滩使其变为良田，还可以利用巨大的落差、巨大的流量来建设众多的阶梯水力发电站，解决我国的电力问题。但是水力发电厂不仅存在投资巨大、建设周期长等问题，最重要是经受不住战争的考验。一座数百万千瓦的水力发电站，目标大，容易被攻击，仅需一枚当量数百万吨的核弹就可以将其彻底摧毁，世界大战的爆发必然会引发核大战，这是无可避免的事实，所以单纯依靠水力发电是不可行的。
一、为何要抓紧研发聚变发电
有学者认为解决此问题的出路在于发展核电。自然界中有两种核能，一种是裂变，由一种重金属原子在中子的轰击下产生链式裂变从而释放出巨大的能量，裂变核能源反应的优点是不产生排放，是一种清洁能源；裂变核能源的另一优点是容易点火和维持反应。目前世界上绝大多数的核电站、核动力舰船都是利用核裂变的原理做成的，其应用广泛，技术成熟。但核裂变的缺点也很严重，它在反应的同时释放出大量的有害辐射，而这些辐射很容易造成二次核污染；同时核裂变反应堆也容易出现事故，一旦出现事故，影响范围大，污染周期长（如前苏联切尔诺贝利核电站和日本福岛核电站）。另外核裂变的燃烧废物也存在强烈的核辐射，很难处理，其半衰期达千年之久。核裂变需要的燃料是金属铀235和铀238，这种矿物质在地球环境中存量有限，所以核裂变是种不可再生能源。由于核裂变存在严重的缺点，也限制了它的使用范围，所以单纯依靠核裂变电站解决我国电力供应问题也不是最理想的办法。
自然界另一种核能是聚变能，它的原理是由两个氘原子聚变成为一种较重的氦原子从而产生大量的能量，核聚变在燃料体积重量相同的情况下，所释放的能量比核裂变大数倍，核聚变最大的优点是没有辐射，核聚变时不会释放出β射线和伦琴射线，但是能释放出微弱的中子流，这种中子流比较容易防护，如用一定厚度的木材、金属材料即可隔绝，其中用铍金属隔离最有效，厚度很薄的铍合金板可以完全隔绝微弱中子流的穿透，总之核聚变反应堆的防护措施是简单有效的。
核聚变使用燃料主要是氘，这种元素大量存在于海水中，普通海水的含氘量约为1/6000，1升海水提炼出的氘反应后产生的能量相当于300升汽油的能量。另外太阳除了发出光和热之外，还以太阳风的形式向宇宙释放出大量的氘，以宇宙尘埃的形式在太阳系中散发出来，由于地球和月球距离太阳近，散发到地球和月球上的太阳风比较多，而散落在地球上的氘原子大部分落在海水里，散落在陆地上的氘原子也会经过雨水和河流的搬迁作用汇入大海，也就是说落入大海的氘原子是源源不断的，而太阳系已存在数十亿年，日积月累存在海水中的氘原子数量相当浩大，足够人类世世代代使用，而且太阳风仍在不断补充，所以核聚变是一种可再生能源。
核聚变的点火条件是当两个氘原子的距离靠近飞米级时会发生核聚变反应（1飞米（fm）= 0.000001纳米（nm）），形成一个较重的原子氦，同时释放大量能量。想要达到这种聚变反应条件要求环境温度高达几千万甚至上亿摄氏度，或者施加上百万兆帕的压力才能达到，这在地球环境中是暂时难以实现的。为此科学家们想出各种方法，其中一种是使用多束大型激光同时照射氘丸使其局部温度瞬间达到上亿摄氏度，从而实现聚变反应，这种方法叫做惯性约束。另一种方法是用强大的电流注入线圈形成环形磁场，将氘原子注入磁场内使之进入悬浮状态，利用中子流轰击氘原子使其温度上升接近一亿摄氏度，直至聚变反应，这种方法叫做磁约束也叫托卡马克装置。托卡马克装置是前苏联莫斯科库尔恰托夫研究所阿齐莫维齐等人在20世纪50年代末发明的，后来世界各国的科学家们也纷纷利用这种原理来实现核聚变，目前法国正在筹建的国际合作核聚变实验装置ITER也是这种装置。以上两种方法存在很多难题无法解决，需要继续完善，如燃料的注入问题、核能的输出问题、装置的稳定运行问题等。迄今为止聚变核电站还没有成功，国际上的专家们普遍认为要实现核聚变发电还需要世界各国的科学家们共同努力50年以上。
二、核聚变发电的全新方案
广州聚变科学研究所的研究团队经过数年努力，提出一种全新的聚变核电方案即冷聚变多层壳约束聚变发电技术。（国际上也称冷聚变为“凝聚态核科学”。）我们设想的具体方案是将数量约1000ml的海水浓缩液注入一枚海水燃烧弹。海水燃烧弹由壳体、引信、海水浓缩液等部分构成，引信点火机构由一枚普通的数码雷管等构成。数码雷管在1000毫秒的范围内作延时点火，引爆勐炸药、勐炸药爆炸后继续点火装药，在超临界状态下产生高温，使之被点火的海水浓缩液进入等离子状态，海水浓缩液的含氘丰度达到30％以上，此时海水浓缩液中氘原子会发生聚变反应。海水燃烧弹在3000米以内会产生局部超过1000摄氏度的高温和100兆帕的压力，5分钟内释放出相当于500吨标准煤的能量，这种高温瞬间被传热层吸收并传递给导热层，通过换热材料传递给超临界蒸汽锅炉做功发电。在隔热层的作用下，热量不会传递给持力层了，持力层是一个坚固的钢筋水泥构件（或钢构件），它可以承受海水燃烧弹爆炸时产生的压力。五分钟后第一颗海水燃烧弹的热量传递完毕，系统会自动启动第二颗海水燃烧弹并自动引爆燃烧，整个运行系统周而复始。因为整个装置在常温情况下点火和运行，所以也称之为冷聚变。
建设一座装机容量为500万千瓦的聚变核电厂，以上网电价每千瓦时0.3元为例，一座聚变核电站每年产值可达130亿元，经济效益相当可观，将会改变全世界能源的格局，创造一个数万亿美元的产业，将造福于人类，解决人类能源短缺的后顾之忧。
三、研发核聚变发电所需的条件
多层壳约束冷聚变发电技术需要以下四个保障条件：1、需要省级以上的科技部门或发改委立项，2、总体进度约5年时间，3、所需经费约7~8亿元人民币（详见初步预算），4、需要提供1200多亩建设用地。
初步预算
1、海水燃烧弹是项目的核心和关键，主要使用陆军各种火炮，是组合型的弹药系统。可用82mm迫击炮、无后座力炮打击近距离目标，也可使用远程火箭炮、155mm自行火炮等打击中远程目标。该系统勤务处理安全，具有体积小、重量轻、威力大等特点。海水中含有丰富的元素，其中氢的同位素氘含量为1/6000，如果用专门的设备处理海水，可以使海水中氘的丰度提高到20-30%。海水中含氘丰度越高威力越大，可以直接用重水（二氧化氘），但是重水价格昂贵，属于严格管制的核材料。可以用海水浓缩液替代，不仅价格低，而且来源广泛。调整海水浓缩的数量或海水中氘丰度可以方便调整爆炸威力的大小，一般重量3公斤左右富氘海水浓缩液爆炸威力可达到500吨TNT当量。海水燃烧弹所需经费约1个亿，由于此项目是军民融合项目，需要有军工资质的企业来参与。
2、建立专门的测试实验室和购置相应的仪器仪表，该项目需要对β射线、伦琴射线、微弱中子流的测试以及海水浓缩液中含氘丰度的测试，所需经费约3千万。
3、在海边地区选择地点建设一座日产2千升，丰度30%以上的海水浓缩液实验室以及相应的设备，所需经费约5千万。
4、建设一座占地约1000亩，直径约3千米，内有传热层、导热层、隔热层及持力层等组成的多层壳约束反应腔及其相应设备，造价约2个亿。
5、每座冷聚变核电站共有五个换热通道，每个换热通道需要一座超临界锅炉和百万千瓦级的蒸汽轮机及百万千瓦的发电机组，需要经费约1个亿，建设五个换热通道约5亿元人民币。
从项目预算中可以看出，主要经费用于超临界锅炉和发电机组，其实设备是可以通用的，没有太高的技术难度。如我国四川的东方电机厂、上海电机厂和哈尔滨电机厂等完全可以生产出来。由于近年来我国电力工业发展飞快，装机容量不断扩大，导致此类设备处于紧缺状态，所以价格会比较高。拆除燃煤发电厂，只需要拆除烟囱和磨煤机、喷煤机，其他设备可以留用(如锅炉发电机等)。如果聚变核电厂在建设时采用改造燃煤发电厂的办法，可以节省大量时间和金钱。
四、答疑
文章在部分专家小范围传阅后提出几个问题，现将问题作如下解答：
1、关于知识产权问题有专家提出：当前我国对知识产权的保护力度还不够，项目是否已经获得专利保护或其他保护？
答：本项目的主体已向专利局申请发明专利，目前正在受理，处于公示阶段，为了进一步强化专利保护，项目组准备申请美国、日本、欧洲等国际专利，项目的其他零部件大部分已申请了国内实用新型专利并获得证书，所以该项目完全具有自我的知识产权。
2、海水燃烧弹是否能够顺利点火燃烧？
答：海水燃烧弹所用的燃料是海水浓缩液，氘丰度含量低，如果发生聚变反应需要巨大的能量激发，有专家提出这种能量可以使用金属钚替代，但是钚在临界状态下发生反应同时会释放大量辐射，这个问题如何解决？毕竟海水燃烧弹激发装置的当量少，辐射少，核电站的主要能源是由氘原子聚变产生的，激发装置产生的热量比例少，另外反应腔的多层壳体还有屏蔽作用，所以传给外界的辐射基本可以忽略。
3、有专家提出直径3千米的反应腔体积庞大，战争时容易被攻击，这个问题如何解决？
答：可以采用钢结构的反应腔，直径可缩小到50米，长度150米，并采用双壳结构，内胆是耐高压的壳体，外壳是冷却壳，两壳之间用水循环作冷却剂和输送热量载体，这种结构较复杂，但目前机械加工的工艺完全可以制造出来；钢结构也可以卧式布置，并建设一个高10米，长200米的车间式厂房安装，这样一来，高空观察只是一个普通厂房，不存在暴露目标的问题。
