院士报告厅｜彭先觉：对人类来说核能是最理想的未来能源

“希望核能可以成为未来的基荷能源，核能的主要优势在于能量密度很高，同时对地球资源的消耗最小。”2026年1月15日，中国工程院院士彭先觉在科技创新院士报告厅第17期做了 “核聚变与未来核能”的主题演讲。彭先觉院士认为，Z箍缩聚变裂变混合堆这种能源系统对于未来国家的经济社会发展、产业的布局都会带来极大的变化。尽管可再生能源在环境保护方面具有显著优势，他依然认为对人类来说核能是最理想的未来能源。

本次活动由深圳创新发展研究院、中关村产业转型升级研究院、深圳企联等机构共同主办。

中国工程院院士彭先觉

以下内容根据彭先觉院士演讲记录整理，经演讲人审订。

一、聚变能源的出路：从纯聚变到混合堆

（一）核聚变（热核聚变）概念

核能的获取主要有两种基本方式：核聚变和核裂变。核聚变是轻原子核结合成较重原子核的过程，在此过程中会释放出能量；核裂变则是重原子核（如铀、钚）分裂成较轻原子核，这个过程同样会释放能量。

对于聚变而言，最大的困难在于：首先是两个原子核的相互靠近，但是原子核都是带正电的，彼此之间存在强烈的库伦斥力，所以它们会相互排斥，要使两个原子核靠近并发生核反应并不容易，要克服这种斥力，唯一的办法就是让原子核具有足够高的动能，这样它才能克服斥力相互靠近，才有可能发生聚变反应。

提供原子核能量的方式主要有两种：

第一种是利用加速器将原子核加速后再碰撞另外的原子核就可以发生聚变。比如我们平常的氘氚中子源就是这么一种。这种方式在物理实验中是可行的，但由于聚变反应概率极低，能量投入远大于产出，不可能作为能源系统。

第二种办法是将大量的原子核加热到极高的温度，例如1亿度，使其形成高温等离子体，在热运动中有一部分原子核具备发生聚变反应的条件，这种反应称为热核反应。氢弹里面就是用这种方式来实现热核聚变，所以氢弹我们也叫作“热核武器”。

由于加热到上亿度本身极为困难，因此在热核聚变中，必须选择原子序数最小的核素作为燃料。这里引入一个重要概念“点火”，所谓“点火”，是指聚变体系在达到一定条件后，聚变反应能够自持并迅速升温，从而释放出巨大的能量。从目前的研究情况看，在所有可能的核素中，只有氘和氚最容易发生热核反应，其点火条件相对最低，能够实现较为剧烈的燃烧并释放出较大的能量。

（二）实现人工可控热核聚变的可能途径

实现人工可控热核聚变，主要有两条途径，一条是惯性约束聚变，另一条是磁约束聚变。

惯性约束聚变。所谓惯性约束，其物理机制与氢弹类似。通过某种方式使热核燃料实现点火，并在极短时间内获得自持燃烧能力。随着燃烧规模的扩大，聚变过程中物质会迅速膨胀，反应速率随之下降。由于这一过程受燃料自身质量及周围环境的惯性约束，因此称为惯性约束聚变。氢弹正是采用这种方式实现热核聚变的。

从能源角度出发，我们对惯性约束聚变进行了系统研究。要使其具备能源意义，关键在于驱动器能力。驱动器可以采用激光方式，例如美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的NIF装置，已经实现点火，用约2兆焦的激光能量获得了8兆焦以上的聚变能量输出。这在物理上是成功的，但如果作为能源系统，这样的能量规模仍然过小。

通过研究，我们提出了一个判据：要实现惯性约束聚变能源，驱动器必须在约10纳秒的时间尺度内，向聚变靶丸输入不少于10兆焦的能量。只有在这一条件下，才有可能释放出数百乃至上千兆焦的聚变能量，从而具备能源应用的可能性。

根据这一判据，能够满足条件的驱动方式只有两种：激光驱动和Z箍缩驱动。过去研究过的其他方式，如加速器加速的轻离子束、重离子束、电子束等，都不可能构成现实可行的聚变能源路径。

我也曾长期参与激光聚变的研究与讨论，并提出过相应的靶型设计，目前仍在开展实验工作。但总体来看，激光路线在激光器、靶及靶室、能量效率、系统复杂性等方面存在根本性制约，作为能源系统的可能性并不大。相比之下，采用Z箍缩方式作为惯性约束聚变的驱动手段，更具现实可行性。

即便采用Z箍缩方式能够实现聚变，如果将其作为纯聚变能源系统，在经济性上仍然并不合适。以单路聚变系统为例，建设成本 20 亿美元以上，但所能获得的聚变功率约为200兆瓦。考虑到热能向电能的转换效率，最终可用的电功率约为70兆瓦。在这种情况下，单位电功率对应的投资成本非常高。

如果要达到百万千瓦级的发电规模，就必须将10路以上的聚变系统进行并联，整体建设成本将进一步大幅上升。因此，我们认为，采用Z箍缩惯性约束聚变构建纯聚变能源系统，在经济上并不合算。

磁约束聚变是一种通过强磁场维持高温等离子体持续稳定的聚变方式。典型的磁约束聚变装置是TOKAMAK，其中建在法国的ITER装置就是一个全球七个国家共同参与的项目。ITER装置预计将来可以实现400到500MW的聚变功率，但目前仍处于氘氚燃烧等离子体实验阶段，尚未完全验证氚自持、能源级材料抗辐照等多个关键问题。

我曾参与过磁约束聚变的研究工作，并在我国早期成立的磁约束聚变专家委员会中工作过。在实际研究过程中，我发现磁约束聚变要实现大规模能源生产仍面临诸多困难，尤其是在维持高温等离子体稳定性方面。

高温等离子体的稳定性问题是其中的一个核心挑战。磁约束聚变的基本原理是通过强磁场将等离子体封闭在一个系统中，确保磁力线封闭并使离子、电子围绕这些磁力线旋转。这是一个理想化的构想，但实际上，等离子体非常不稳定，难以长时间维持。例如，EAST合肥装置曾成功维持高温等离子体1000秒，虽然是很大的进步，但等离子体不稳定性仍存在难以预测和控制的大问题。

更严重的是，这种不稳定性还可能导致等离子体大破裂，导致电流突然停止，从而产生强大的电磁力，可能对设备结构造成严重的破坏。为应对这一问题，国际上许多大型磁约束装置采用粗大的钢梁来支撑真空室。如果将来这些装置用于商业应用，产生的电磁力可能会比当前装置更为强大，从而加剧这一安全隐患。

在商业化应用中，氘氚等离子体需要在设备中持续燃烧，原则上装置需要运行20到30年而不能拆卸。然而，这一长期运行的需求带来了结构材料的抗辐照问题。氘氚反应释放的高能中子会对周围材料产生强烈的辐照作用。这些中子撞击材料的原子核，导致原子核发生位移，破坏原有的晶格结构，进而影响材料的力学性能和其他物理特性。

在商用聚变反应堆中，为了维持20到30年的稳定运行，材料的抗辐照能力需要达到200到300DPA（平均每原子位移次数，是材料辐照损伤的定量单位）。然而，当前最好的抗中子辐照材料是ODS钢（抗辐照钢），它也只能承受大约40到50 DPA。尽管研究还在进行，但目前尚未找到有效的方法可以将材料的抗辐照能力提高到所需的200DPA水平。这是当前磁约束聚变技术面临的一个关键瓶颈问题。

氚是磁约束聚变中重要的燃料之一，然而，它的自持问题仍然是一个巨大的挑战。TBR（氚增殖比）是衡量高能中子能生成多少氚的指标。目前理想的设计中，TBR通常只能保持在稍高于1的水平，即生成的氚量略高于消耗的氚量。然而，这还未考虑现实中存在的一个较为严重的氚损失项。

氚在高温环境下非常容易渗漏到其容器壁中，包括第一壁、偏滤器以及包层。另外，氚是一个不稳定的核素，其半衰期仅为12.3年。早期渗漏至上述部件、容器壁中的氚，经过20到30年的运行，几乎大部分会衰变损失掉。这种损失对整个聚变系统来说是一个非常严重的问题。

目前，对于如何解决氚的高温渗漏损失，还没有找到有效的解决方案。正因如此，磁约束聚变要成为一个纯聚变的能源系统，在现阶段还是非常困难的。

（三）纯聚变不可能成为无限能源

下面我们再讲一下纯聚变的问题。过去在中学物理和大学普通物理中，聚变常被提到是“终极能源”,这一概念的前提在于氘的资源量非常丰富，海水中氘的数量巨大，因此如果能够实现烧氘作能源，理论上可以获得取之不尽、用之不竭的能源供应。

然而，从燃烧能量平衡的角度来看，烧氘系统在现实中并不具备成为可持续能源系统的条件。虽然可以通过创造条件点燃氘进行聚变反应，但这一过程需要消耗的能量远大于聚变反应所释放的能量。因此，烧氘聚变不能构成一个无限的能源系统。

（四）聚变能源的出路在于聚变与裂变的结合

我在磁约束聚变专家委员会工作时了解到磁约束聚变面临材料抗高能中子辐照问题以及氚自持的困难。认为有可能利用裂变的帮助来解决，当然裂变包层必须简化易行。

裂变的作用在于能够显著放大聚变释放的能量。例如，一次聚变反应释放的能量约为17.6MeV（兆电子伏特），而一次裂变反应可以释放高达200MeV的能量。如果1个聚变中子能够进入天然铀裂变包层并引发1次以上裂变反应，就能将聚变的能量放大10倍以上（而且裂变包层设计和燃料循环都很简单）。通过这种方式，聚变能源的规模可以减少，辐照强度也会显著降低。例如，聚变中子的辐照强度可以减少10倍以上，这意味着原本需要200至300DPA的材料，现在只需要20至30DPA的材料即可承受，从而有可能帮助解决抗高能中子辐照材料的问题。

另外，裂变对氚自持也可发挥十分重要的作用。1个14.1MeV的中子与铀238发生裂变时，能释放出4.5个以上的中子，这为氚的自持提供了充足的中子源。

聚变的加入，对裂变堆的运行也会产生根本性变化。传统裂变堆工作在临界状态，而引入中子源后，裂变堆可以在次临界甚至深次临界状态下运行，这大大提高了裂变堆的安全性。聚变中子还能促使大量放射性元素发生嬗变，进而处理长寿命的裂变产物，且在核燃料循环上简化了许多流程。这样，聚变与裂变的结合，不仅提升了裂变堆的安全性和资源利用效率，还极大减小了裂变放射性对环境的影响。

在这种结合的系统中，铀资源的利用率可提升至90%以上，钍资源也能得到有效利用。这将大幅提升能源供应的可持续性，且地球上的铀和钍资源足够支撑人类数千年的能源需求。因此，聚变与裂变的结合被认为是未来核能发展的必然方向。

二、Z-FFR在未来能源竞争中的优势

Z-FFR系统是由Z箍缩驱动的聚变单元与深次临界裂变包层构成的综合能源系统。该系统设计的关键在于聚变和裂变的有效结合，能够实现较高的能量增益和资源利用效率。

图1 Z-FFR = 单路Z箍缩聚变单元+深次临界能源包层

我们设计的裂变包层部分可以从天然铀开始，甚至更理想的是从热中子堆的乏燃料开始。这样，整个裂变系统的临界度（K有效）可以控制在0.8以下，即工作在深次临界状态。这种设计大大提高了裂变堆的安全性和稳定性，避免了常规裂变堆的临界安全问题。我们的系统采用水作为传热介质，结合了压水堆的性能特点。水在高压下密度变化非常小，这使得系统的物理计算更接近实际运行情况。水不仅是便宜的介质，还具有很好的中子慢化性能，有助于提高能量增殖倍数，我们现在设计的主要参数（聚变部分）大概就是：一个60-70MA的驱动器，运行周期为每10秒一次。预计未来的负载套筒碰靶动能将达到10MJ以上，而聚变靶丸的能量释放预计可达到2000MJ以上。裂变堆的设计能够有效放大聚变的能量。例如，在采用乏燃料的情况下，能量放大倍数可以达到15倍，通过优化设计，预计能达到20倍。这不仅增强了裂变堆的能量输出，也有效提高了能量转化效率，但是将来氚生产太多也是一个问题，还是需解决氚的基本平衡问题。虽然聚变与裂变的结合有助于提高能量输出，但氚的过度生产可能会带来不利影响。

因此，我们在设计中要特别注意氚的生产与消耗之间的平衡，确保能量输出最大化的同时，避免氚的过度积累。

Z-FFR系统从驱动器到最终能源输出的每一个环节，都已进行了深入的研究。目前，我们已经基本解决了物理、技术、工程和材料方面的关键问题，为系统的后续发展奠定了基础。现在，该系统进入了工程验证阶段，尽管仍有一些关键问题需要进一步验证，但整体研究成果已经表明该系统具有可行性。验证完成后，整个系统将进行整体演示。

（一）Z-FFR的先进性

安全优势：这个系统是一个绝对安全的系统，它的安全性可能是未来核能系统中最好的。我们设想的布局是：地面一层为驱动器，而所有涉及核反应的部分都设在地下。通过严格的物理隔离，包括放射性物质和气体的隔离，确保外部环境不会受到任何核污染。这种设计使得Z-FFR系统对外界的影响降到最低，甚至比当前的裂变堆和纯聚变堆更具安全性。

经济优势：经济上，我们预计，建设一个100万千瓦的Z-FFR电站大约需要30亿美元（即200亿人民币）。随着技术的进一步优化，这一成本预计将进一步降低。

同时，由于系统具有良好的安全性，它能够采用递进层式建造，根据需求在不同地区建设。这样的设计有助于分布式能源布局，并且能增强电网的安全性。

持久优势和兼容优势：这个系统兼容性强，能够大力支持热中子堆的发展。热中子堆目前面临的主要问题包括乏燃料处理和铀资源的低利用率（整体利用率不到1%）。Z-FFR系统能够有效利用热中子堆的废料（乏燃料和贫铀）和钍，显著提高资源的利用效率。例如，如果中国建有200个热中子堆，这将意味着中国拥有约200万吨铀资源。这些资源可以通过建造1000个Z-FFR堆来运行1000年，极大地提升能源的可持续性。

Z-FFR堆的输出功率可以根据需求进行大幅度调节，如每10秒、15秒或20秒调整一次。快速反应能力使得该系统与可再生能源具有极好的兼容性。可再生能源的最大问题是阶梯性波动，而Z-FFR系统能够提供稳定的基荷能源，这对电网的平衡起到了关键作用，能够为电网腾出更多空间，解锁更多可再生能源的潜力。可再生能源的发电时间可以根据天气预报进行预测，电网可以接受一定幅度的变化（如10%左右），从而减少对储能设备的需求。这个能源系统对环境来讲非常友好，为未来可再生能源发展提供了一个经济高效的平台。

（二）理想的未来能源

未来的能源系统必然是清洁、低碳、环境友好、经济、持久和高效的。我们认为，未来的能源应用中，热能和电能的应用应当适当分开，以更高效地利用资源和满足不同的需求。

我们希望核能可以成为未来的基荷能源，核能的主要优势在于能量密度很高，同时对地球资源的消耗最小，例如，一个百万千瓦的煤电站每年需要消耗约300万吨煤，而同样规模的核电站只需消耗1吨铀。相比之下，核能在资源使用和环境保护方面具有显著优势，是对未来能源需求的有效补充。

尽管可再生能源具有清洁环保的优点，但它对地球资源的消耗也非常巨大。例如，为了让一个光伏电站产生与百万千瓦核电站相当的电力，所需的光伏板面积大约为30平方公里。这对土地资源的占用以及其他地球资源的消耗是非常巨大的。

因此，尽管可再生能源在环境保护方面具有显著优势，我们依然认为对人类来说核能是最理想的未来能源。

我们希望原子能时代能早日到来。当我们谈论“未来”时，并不是指几十年以内，而是指较长远的未来。目前，化石能源仍然在全球能源供应中占据重要地位，但在百年之后，化石能源可能会接近枯竭状态。因此我们设想，未来的能源系统将主要由核能和可再生能源构成。在核能领域，能够提供千年以上能源的技术包括快堆、磁约束聚变裂变混合堆，以及Z箍缩驱动聚变裂变混合堆。

我们认为，Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆在未来能源竞争中具有明显优势。其独特的性能是其他能源形式难以比拟的。因此，我们期望这一系统能够成为一个智慧能源系统，为未来人类的可持续发展提供坚实的能源基础。

三、Z-FFR的实现途径与产业前景

在2021年，我们在四川天府新区成立了天府创新能源研究院，这是一个新型研发机构。随着形势的发展，我们意识到，未来的能源系统必须通过市场化和商业化的模式来推进，我们也设立了泽塔聚变科技（北京）有限公司。因此，天府创新能源研究院的基本定位是负责Z-FFR的物理设计总体工作，而泽塔聚变科技（北京）有限公司负责Z-FFR的工程设计总体、工程验证、供应链、产业链等方面的工作，两家单位协同推进Z-FFR技术的研发与应用，最终将其转化为一个优良适用的能源系统。

我们的目标是将Z-FFR技术通过市场化和商业化路径逐步推向实际应用，推动其成为可行且具有竞争力的能源解决方案。Z-FFR产业的分布分成几个部分：

驱动器产业。Z-FFR系统的驱动器是整个能源系统中的核心部分，主要由电容器和开关通过串联并联组成。当前，驱动器的工作寿命有限。如果驱动器每半年就需要更换，成本将非常高。因此，未来驱动器的电容器和开关需要具备长寿命，目标是达到千万次级的使用寿命，而现有的技术水平仅能支持几十万到百万次的使用寿命。为了实现这一目标，驱动器产业仍需克服很多研发障碍。当然我们也有了一些解决问题的办法，希望还是很大的。

负载、靶制造产业。为了实现聚变，Z-FFR系统的负载、靶部分需要特别设计。未来驱动器每10秒钟运行一次，这对经济性提出了很大的挑战。我们必须设计出既能够快速生产、又能在经济上可行的负载、靶制造方法。这是一个涉及多方面问题的产业，需要从生产效率到成本控制等多方面进行研究和布局。

裂变核燃料产业。Z-FFR系统的裂变包层部分，初期预计将从乏燃料开始。现有的燃料包层采用二氧化铀，但需要将其转换为金属铀，并制造成适用于包层的部件。每块铀的面积约为1至几平方米，厚度达到厘米级，整个包层的厚度可达到10厘米。因此，裂变燃料包层的制造需要解决许多技术难题，尤其是在放射性环境下进行制造的挑战。为减少环境污染，我们计划采用干法处理乏燃料，这种方法比传统的湿法更为环保，且经济性也更好。

除了铀外，钍也将是未来能源系统的重要燃料。我国拥有丰富的钍资源，可以从现在开始积极开发。传统铀资源相对短缺，但我国的磷矿中含有一定量的铀，也可以提前布局，进行研究、开发。

聚变核燃料产业。锂资源在能源系统中的利用也非常重要。随着锂电池的广泛应用，锂资源的需求不断增加。未来，如何回收并有效利用锂资源将成为一个重要课题。

对于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆，我们将可能采用高效的锂利用方式。与传统的TOKAMAK装置不同，我们不需要对锂6和锂7进行分离，这会显著降低堆的建造成本，并提高锂资源的利用效率。

堆建造产业。堆的建造产业，涉及大量的制造，因为这些制造工作量都很大，要求速度快，所以这些未来都必须要高度地自动化或者是用AI的帮助来完成这方面的任务。

应用产业。未来，Z箍缩产业将主要发展两种方式：一种是电堆，我们计划将电堆系统与热电联供系统结合，以提高能源利用效率。电堆可在不同城市逐步建设，从而实现热电联供。这不仅能够提高能效，还可以推动大规模城市改造，促进城市能源系统的优化和升级。另外一种是供热堆，这一系统能够提供低温持续供热，温度范围为100-120摄氏度。

这类堆的应用具有广泛的潜力，尤其在以下几个领域：城市供暖与供热：为城市提供稳定、清洁的供暖和供热解决方案；海水淡化：通过供热堆，我们可以大规模进行海水淡化。例如，如果建立一个3000至4000兆瓦的供热堆，每年可生产10亿至20亿吨淡水，为水资源匮乏地区提供解决方案；除了海水淡化外，我们也可以利用这一能源推动大规模农田改造，如为北方的农田提供足够的能源来建设温室大棚等设施。

总之，Z箍缩聚变裂变混合堆这种能源系统对于未来国家的经济社会发展、产业的布局都会带来极大的变化。期待在不久的将来，能让这一智慧能源点亮万家灯火。

（整理人：林美丹。本期活动还邀请到了深圳市电子学会、深圳市新材料行业协会、深圳市软件行业协会、深圳市新联会科技联盟分会、深圳市大数据产业协会、深圳市微波通信技术应用行业协会等机构联合举办。）

来源：彭先觉