彭先觉：混合堆是未来能源的理想之选｜科创院士谈

来源：第一财经

一座百万千瓦级的Z—FFR示范电站年发电量可达100亿度，电价可能在每度0.1元左右

未来能源将走向何方？核能被视为理想选项之一。但传统核裂变电站正面临铀资源利用率低、乏燃料处理难、安全性担忧等诸多挑战；而纯聚变能因其实现条件极为苛刻，距离商业化应用仍然遥远。在这样的背景下，一条结合聚变与裂变优势的混合技术路线受到越来越多的关注。

1月15日，在深圳创新发展研究院举办的“院士报告厅”活动中，中国工程院院士、中国工程物理研究院科技委员会原主任彭先觉以《核聚变与未来能源》为题，详细阐述了以“Z箍缩”驱动的聚变—裂变混合堆（Z—FFR）为核心的未来核能系统。他认为，纯聚变不可能成为无限能源，而聚变与裂变的结合，不仅能克服各自缺点，还能形成一个安全、经济、持久且与可再生能源高度兼容的智慧能源系统。这可能是核能发展的一条“大道至简”的理想之路。

从“终极能源”神话到混合堆现实

报告伊始，彭先觉回顾了核能的基本原理。核能释放主要通过轻核聚变和重核裂变两种方式。聚变需克服原子核间的静电斥力，通常需要将燃料加热至上亿度的高温，使其处于等离子体状态才能发生持续反应，这就是“热核聚变”。目前最容易实现热核聚变的燃料是氢的同位素氘和氚，其“点火”温度相对最低。

“过去常说聚变是终极能源，这主要基于海水中氘的储量极其丰富。”彭先觉说，“但我们的分析表明，单纯‘烧氘’（即氘-氘聚变）实现能量净输出非常困难，创造聚变条件所消耗的能量可能远大于输出的能量，因此它难以成为一个实用的能源系统。”

他指出，纯粹追求“人造太阳”式的纯聚变能源面临巨大物理与工程挑战，例如维持极端高温高压环境、解决材料辐照损伤、实现氚燃料自持等。相比之下，将聚变过程与裂变过程相结合的混合堆思路，提供了一条更为可行的路径。

在Z—FFR方案中，Z箍缩装置作为驱动器，利用强大的电流脉冲产生极端物理条件，引发氘氚靶丸的惯性约束聚变，瞬间释放出高能中子。这些中子随后被包层中的裂变材料（如贫化铀、钍或乏燃料）吸收，引发裂变反应。裂变过程不仅能大大放大能量输出，其自身产生的能量又可以反过来维持系统运行，并生产出新的氚燃料，形成闭环。

“聚变和裂变各有优点和不足，”彭先觉解释道，“结合起来是一种优势互补。聚变中子源强度高、可精确控制；裂变则能高效放大能量。混合堆把核能最好的几个因素组织在一起，用裂变来解决聚变能量增益不足的问题，同时依靠聚变中子的特性来解决裂变电站固有的安全性和核废料难题。”

安全、经济、持久的未来能源选项

彭先觉详细介绍了Z—FFR系统的几大核心优势。

首先是绝对的安全性。该系统将涉核部分全部置于地下，与地面严格物理隔离。其裂变包层工作在“深次临界”状态，这意味着它本身无法维持链式反应，完全依赖于外部聚变中子的“点燃”。聚变中子流一旦停止，裂变反应即刻停止，从根本上杜绝了超临界事故风险（如切尔诺贝利事件）。

同时，针对停堆后的余热（如福岛事故的主因），系统设计了完全非能动的余热排出系统，可长期自循环工作，无需外部电源干预，确保了“熄火安全”。此外，聚变部分氚的操作量仅为传统托卡马克装置的十分之一，且处于负压环境，泄漏风险极低。彭先觉强调：“这个系统可以说是一个绝对安全的系统。”安全性是公众对核能最核心的关切。彭先觉强调，Z-FFR系统在设计上实现了“绝对安全”。

其次是突出的经济性与持久性。据估算，一座百万千瓦级的Z—FFR示范电站造价约在人民币200亿元量级，且未来有进一步降低的空间；运营成本每年约10亿元，年发电量可达100亿度。“折算下来，电价可能在每度0.1元左右。这个数字还不精确，但可以肯定的是，成本将远低于现有核电。”彭先觉表示。

而且，该系统对核燃料的利用极为充分，不仅可以直接利用现有热中子堆产生的乏燃料，还能使用贫化铀和储量丰富的钍资源。“如果中国未来有200个热中子堆，就意味着有200万吨的铀资源可被用于Z—FFR，这将极大缓解铀资源短缺的压力，并解决核废料长期处置的难题。”彭先觉说。

再者是优异的电网兼容性与多功能性。Z—FFR的输出功率可通过调节聚变“爆炸”的频率来控制能量输出，这种快速响应能力使其能够很好地平抑风电、光伏等间歇性可再生能源的功率波动。彭先觉将其描述为“快速反应的智慧能源系统的基础”。它可作为稳定的基荷能源，为电网接纳更多可再生能源腾出空间，减少对大规模储能设施的依赖。此外，该系统还可灵活用于发电、热电联供（可为城市供热或进行大规模海水淡化）、高温制氢等多种用途，应用前景广阔。

产业化路径与挑战

尽管原理清晰、优势明显，但Z—FFR从原理验证走向工程应用，仍需跨越从关键技术到产业链构建的诸多环节。彭先觉透露，由他创立的研究团队已于2021年在四川成立天府创新能源研究院，并创办了产业化公司，旨在通过市场化、商业化的模式加速推进。

“2029年前后，我们正在建设的50MA国家大科学装置将建成投用，开展关键实验验证。”彭先觉表示，到2032年左右，团队计划建成实验供热堆，验证聚变中子与包层相互作用、靶丸制备、换靶等全套工艺流程。

这个实验堆本身也具有重要应用价值。彭先觉描述，“它可以作为世界最强的中子源，强度比法国、西班牙同类装置高三个数量级；每年还可生产约1公斤氚，解决聚变燃料自持问题。”

彭先觉透露，团队已开始布局相关产业链。“驱动器所需的电容器、开关等部件，寿命需要从现在的几十万次提升到千万次级；靶丸制造要满足10秒一次的生产节奏，成本需控制在几百元以内；裂变燃料则计划采用干法处理乏燃料，避免传统湿法带来的环境污染。”

至于产业化面临的最大风险，彭先觉认为不在于某个单一的技术瓶颈，而在于能否整合资源、并行推进整个复杂系统的研发与产业链建设。“如果我们能获得充分支持，通过国家投入与市场机制相结合的方式，全面布局驱动器、靶丸、燃料、建造等各个环节，就有可能按设想的时间表推进。示范堆验证成功后，推广速度可能会比较快，因为它具备模块化、可分布式建设的特点。”彭先觉说。

供应链答案、AI赋能与中美比较

报告会现场，彭先觉回答了听众的提问。

问：可控核聚变的供应链不完备是全球难题，中国在这方面有何优势和劣势？

彭先觉：以Z箍缩混合堆路线来看，我们正在从头构建一套新的供应链。优势在于，我们基于完整的物理和工程研究，明确了各个环节的需求，可以提前布局和研发。劣势在于，这毕竟是一条新路，许多关键部件尚无成熟供应链，需要从研发做起，投入大、周期长。这需要国家战略性支持和市场资本的共同参与。

问：AI技术会加速核聚变商业化吗？

彭先觉：AI肯定会推动技术进步，比如加速数据分析、优化实验方案。但要说AI直接解决聚变中的关键物理问题，可能性不大。AI更大的意义在于它对电力需求的巨大拉动——AI计算本身就需要海量电力，这将反过来推动能源变革。

问：中美两国在核聚变（尤其是Z箍缩路线）的研发上各有什么特点？中国处于什么位置？

彭先觉：在磁约束聚变方面，美国历史上有领先优势。在惯性约束聚变（包括激光和Z箍缩）领域，美国也起步早。但他们过去主要强于工程，在将Z箍缩发展成能源系统的聚变物理尤其是靶物理设计方面，以及与我们类似的混合堆概念结合方面，探索有其局限性。俄罗斯也有相关研究，但受限于环境进展不明显。

中国得益于在核物理、等离子体物理和工程领域的综合积累，特别是在Z箍缩驱动聚变和混合堆概念上形成了自己的完整思路和团队。我们现在是抓住了一个机遇，希望整合力量，加快推进这条有潜力的技术路线。