图1 强流加速器驱动次临界洁净核能系统

核电未来发展的方向

按语：为了弥补前面二篇关于核电科普文章中的不足，这里特地编写了这篇简短的科普文章，讨论核电未来发展的方向问题，我真诚希望和欢迎广大网友继续补充、讨论和指正。

核电的未来发展的主要方向是核聚变能。前面介绍的核能都是利用重裂变材料（铀-235等），依靠原子核分裂而释出能量。应该指出：利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。所谓核聚变，就是由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量。实际上，真正洁净环保且资源丰富的是未来的核聚变能。最常见的是由氢的同位素氘（重氢）和氚（超重氢）聚合成较重的原子核（如氦）而释出能量。核聚变比核裂变具有两大优势。第一，地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富多得多，燃料取自海水，每升海水中含有0.03克氘，这样地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍。 因此，核聚变能是真正未来取之不尽快用之不竭的能源。第二，核聚变能既干净又安全。由于它不会产生污染环境的放射性物质，所以是洁净的；而且受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，因此它的运行也是安全的。

早在20世纪50年代一直到现在，国内外都在一直在探索核聚变能，目前提出了不少核聚变方法。因为需要把聚变燃料加热到上亿度以上高温才能发生核聚，就象氢弹的爆炸那样，但是和平利用核聚变则需要缓慢释放能量，使产生核聚变后能够被利用来热能发电，但是科学家发现：没有任何一种容器能承受1亿度的高温。于是，最早提出的一种著名方法是所谓"托卡马克"型磁场约束法，它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现核聚变的条件。中国科学院等离子体所建立了世界上首个全超导托卡马克装置“东方超环”（EAST），根据国际证据评论，它将在未来１０年内保持世界先进水平。核工业西南物理研究院自行设计和研制的受控核聚变实验装置 “"中国环流器一号”和"中国环流二号"都已经投入运行，我国该领域与国际上先进水平同步发展。国际上在实验室条件下多次几乎接近于成功获得净核聚变能，但是实际上真正要达到商业和工业应用程度目前还差得很远。科学家们估计，到２０５0年前后核聚变发电厂才有可能投入商业运营，受控核聚变发电将造福于人类。目前攻克核聚变能的和平利用，不仅所需的高技术是一大挑战，而且所需的费用非常之高。因此，现在国际上多个国家联合起来进行合作研究。

惯性约束法是实现核聚变的另一种方法，它是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压，因为反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束。类似于喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的几十亿度点火温度时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一）。如果每秒钟内能够发生三、四次这样的爆炸且不断地持续下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。目前主要的问题是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他高技术问题，各国科学家正在奋力攀登。

据估计：到21 世纪后半叶核聚变能才可能具有商业应用的价值。因此，人类解决能源的根本途径是利用核能。这样, 如何更有效地发展洁净裂变核能仍是21世纪面临的十分重要课题。核裂变能仍然是新世纪的主要世界能源之一，第三次世界能源革命的总趋势是，到2050 年时核电（主要指核裂变能）发电量将约占世界总发电量的50%。

     图1 强流加速器驱动次临界洁净核能系统

值得注意的是，核电的发展另一个方向是：强流加速器驱动次临界放射性洁净核能系统。这是针对前面指出的裂变核能的弊端和现状，1993 年西欧核子中心（CERN）诺贝尔奖获得者C.Rubbia 领导的一个小组，提出关于能量放大器获得干净核能的新设想，即强流加速器驱动的放射性洁净核能系统(ADS)，如图1所示。ADS 的基本思想是：利用强流质子加速器产生的质子束与靶相互作用，产生大量快中子以驱动次临界反应堆来获得能量增益。它可以克服常规核电的弊端，构成了新的更安全、更干净、更便宜的洁净核能系统。ADS的最大特点是把20世纪最重要的两大核装置：粒子加速器与核反应堆两者巧妙的结合起来，用以克服常规核电的弊病，解决常规核电产生武器级的核燃料、铀资源利用率低（1%）和困难导致超临界事故等严重缺点。其基本原理是，利用加速器加速的高能质子与重靶核（如铅）发生散裂反应，一个质子引起的散裂反应可产生几十个中子，用散裂产生的中子作为中子源来驱动次临界包层系统，使次临界包层系统维持链式反应以便得到能量和利用多余的中子增殖核材料和嬗变核废物。因此，ADS具有以下优点： （1）充分利用可裂变的核资源，使铀-238高效转化为易裂变钚-239核，或开发利用钍资源。（2）在ADS的不同中子能量场中，可嬗变危害环境的长寿命核废物（次量锕系核素及某些裂变产物）为短寿命的核废物，以降低放射性废物的储量及其毒性；而ADS本身在产能过程中，产生的核废物却很少，基本上是一种清洁的核能。 （3）提高公众对核能的接受程度，因为ADS是一个次临界系统,可得到根本上杜绝核临界事故的可能性。因此，该思想在二十世纪九十年代一经提出就受到核能界的极大兴趣，因为ADS所用的加速器不需要太高的能量和太强的离子流，而所用的反应堆又是次临界，因此,ADS被世界科学界公认为它是解决大量放射性废物、降低深埋储藏风险的最具潜力的工具。国际上已经把ADS作为未来放射性洁净核能一个重要研究方向，它在技术上极具挑战性。

    我国核工业集团公司1995年成立了ADS概念研究组，由中国原子能科学研究院、高能物理研究所和北京大学合作，开展以ADS系统物理可行性和次临界堆芯物理特性为重点的研究工作。1999年ADS项目成为国家重大基础研究项目，开展了“加速器驱动洁净核能系统的物理技术基础研究”。由中国原子能科学研究院自行设计、加工、安装的国内外第一个ADS次临界反应堆实验平台，即研制了ADS启明星1#次临界实验平台，开展了研究次临界反应堆物理特性，且在国际上受到了较大的关注，几个国家都表示要进行合作研究，它必将对国内外的ADS研究做出贡献。显然，ADS是21世纪国内外核能研究中需要继续攀登的一座高峰，具有应用前景。

总之，从我国核电发展总趋势来看，基本上分三步走：第一步近期发展热中子反应堆核电站，为了充分利用铀资源，采用铀钚循环的技术路线；第二步中期是发展快中子增殖反应堆核电站，提高燃料利用率，从目前的１％到２％提高至６０％到７０％；同时也研究象ADS等其他具有应用前景的新的核能系统;第三步远期发展聚变堆核电站, 以便尽量上满足日益增长的国家能源需求.