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分类:文献综述 原创主题:科技创新论文 发表时间: 2024-02-25

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彭先觉,1941年9月生,湖南湘潭人,毕业于哈尔滨军事工程学院原子工程系.曾先后担任二机部九院理论部科研组长、研究室主任、所副总工程师、副所长;二机部九院副总工程师、科技委副主任、科技委主任,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委员及技术专业组组长.2007年10月被科技部聘为国家磁约束聚变专家委员会主任.曾任中国物理学会理事、中国核学会副理事长、第十届全国政协委员、第十一届全国人大代表,1999年当选为中国工程院院士.现为中国工程物理研究院研究员、博士生导师.

1964年毕业于哈尔滨军事工程学院原子工程系的彭先觉,被分配至二机部九院理论部从事的理论研究及设计工作,从此,便开启了他近半个世纪的漫漫科研路.

可以说,彭先觉是幸运的,因为正当他准备用自己所学施展抱负,报效祖国的时候,恰巧赶上了二机部九院正在进行我国氢弹原理的探索和第一颗氢弹的研制试验工作.而作为理论部的青年才子,他被分配参加氢弹原理一个方向的探索.氢弹原理探索这在当时是一项多么令人激动、多么具有历史使命感的工作,所有参加者都以极大的热情参与到其中,并都期望能在这项伟大的工作中作出自己的贡献.彭先觉也不例外,在高水平老同志的带领指导下,他努力学习了关于爆轰物理、等离子体物理、辐射流体力学、粒子输运等理论知识,并初步学会了运用这些知识去研究解决所遇到的问题,也初步学会了利用量纲分析和粗估方法去分析判断技术思路、技术方向的可行性.更为重要的是,这一段工作培养了他积极研究思考问题的习惯和能力.尽管他们的研究方向未能获得成功,但却为他后来的科技生涯奠定了良好的基础.在之后从事氢弹型号的理论研究与设计的过程中,他先后领导完成了几个重要型号氢弹次级(也即氢弹主体)的物理设计,并使其性能得到大幅提高,他还是其中几项关键设计思想的提出者,是我国氢弹次级设计达到世界先进水平的主要贡献者之一.

由于在研究、设计、试验等工作中的重要贡献,彭先觉先后获得科学大会奖、国家科技进步一等奖四项、二等奖二项、三等奖二项及部委级奖多项.1994年获国家有突出贡献中青年专家称号,1992年获光华科技基金一等奖,1997年获何梁何利基金科技进步奖.

1995年,彭先觉调任中物院任副总工程师,同时兼任上级主管部门两个核试验专家组组长之一.这之后,他主要从事发展战略研究,不仅参与研究制订了我国“八五”期间核试验规划和各次核试验方案,还经常深入科研生产第一线和试验现场,协调解决各种难题.在任院科技委主任期间提出了多项提高综合性能的建议,在院“九五”、“十五”、“十一五”科技发展规划制定中发挥了重要作用.

自2001年起,彭先觉开始主持院Z-Pinch(也称Z箍缩)研究,并提出了一种适合Z-Pinch应用的聚变点火和聚变能源的靶设计.该设计是一项重大创新.理论计算表明,这种靶可以较大幅度降低对驱动加速器电流的要求,展示了Z-Pinch应用于聚变研究及能源的美好前景.为全世界新能源的开发打开了另一扇门.

众所周知,能源作为现代人类生存和发展最重要的物质基础,已经成为人类生活和工作不可或缺的一部分.然而,随着世界能源危机的到来,解决能源问题已经迫在眉睫,而聚变能则是各国科学家心目中追求的未来能源的理想目标.

彭先觉介绍说,聚变产物与裂变产物相比,具有少得多的放射性,尤其是基本没有长寿命的放射性核素,因此有安全、清洁能源的美称.然而,经过半个多世纪的研究,人们发现,聚变能要成为有竞争力的能源还有很长的路要走.

作为未来能源,衡量其竞争力的主要标志有:安全性、经济性、持久性和环境友好性.聚变能与裂变能相比,在安全性和环境友好性上存在优势,但在经济性和持久性上仍存在很大差距.

首先,从经济性来看.目前,聚变能源研究的主要技术路线有3条:磁约束聚变(Tokamak方式)、激光驱动惯性约束聚变和Z箍缩驱动惯性约束聚变.就磁约束聚变而言,一是建造规模大、技术复杂、成本高(100万千瓦电站建造成本估计超过100亿美元,一般热中子电站20亿美元左右,快中子电站60亿美元左右);二是运行控制难度高,能量生产效率低(运行需消耗自身发电量的50%左右,因此大大增加运行成本);三是材料抗辐照问题.磁约束聚变要求面向等离子体材料和结构材料经过多年(10年左右)聚变高能中子辐照后,仍有足够的强度.因为等离子体破裂现象难以避免,而等离子体大破裂会产生极大的带有破坏性的电磁力.但现有材料的抗聚变高能中子辐照能力尚不足商用堆标准的三分之一,如何让材料达标成为技术上的大难题.此外,材料的抗辐照能力还直接关系到堆运行的经济性(更换等离子体外的包层既困难又费时).就激光驱动和Z箍缩驱动的惯性约束纯聚变而言,实现聚变,都需要在约10纳秒左右的时间内,向聚变靶丸输送约10MJ级的能量,因而驱动器建造成本很高.激光驱动由于需要实现秒级重复频率运行,故要选用二极管泵浦固体激光器,预计100万千瓦纯聚变电站仅激光器的造价就在100亿美元以上;而Z箍缩驱动纯聚变电站,由于驱动器运行只能10秒左右一次,故至少需10个爆室, 10台驱动器联合运行,其造价也可能达100亿美元左右.由此可见,纯聚变商用堆,无论采取哪种技术路线,在经济上都没有竞争力.

另外,持久性来看.持久性主要取决于技术路线和资源.聚变的问题是,实现聚变并不难,但要实现能源规模的聚变却非常困难.目前,能够实现较大规模聚变的途径只能是烧氘氚,氚是放射性元素,半衰期12.3年,自然界中不存在,只能由中子辐照锂-6来生产.因此聚变能源的持久性就取决于锂-6的资源量.从现在已探明的资源来看,锂资源可提供的能量总量只有铀资源(按铀-238裂变计)的三分之一.我们过去说的聚变能可取之不尽、用之不竭是针对烧氘而言的.实际上,纯氘非常难烧,当前的科学技术根本做不到这一点.

总之,纯聚变能源在两个最重要的方面不如裂变能源,而裂变能源经过多年的努力,在安全性和环境适应性方面也有了长足的进步,因此纯聚变能源没有竞争力.但聚变时产生的高能中子能够引起铀-238和钍-232裂变,如果把聚变-裂变很好组合起来,则有可能成为一条很好的未来能源发展道路.

为此,2007年底,彭先觉带领科研团队进行了混合堆概念研究,并提出了次临界能源堆概念及相应的设计技术路线.次临界能源堆突破了传统混合堆的设计理念,在安全性、经济性、持久性和环境友好性方面都具有非常优良的品质.

在综合了次临界能源堆、新型聚变靶及Z箍缩驱动器设计建造等方面的判断之后,彭先觉于2008年秋正式提出了Z箍缩驱动聚变裂变混合堆的概念.该次临界堆能够在以天然铀为初始燃料的情况下,把能量放大10倍到30倍,这就使聚变能技术有可能得以应用;可以实现持续烧铀-238和钍-232,能够把铀、钍资源最大限度地利用起来,可以为人类供能数千年;可主要用“简单干法”进行核燃料的循环,换料周期5年以上,可实现低成本运行,因而具有很好的经济性;具有天然的安全性,并能嬗变掉堆反应过程中产生的次錒系长寿命核素,也可使堆需要处理的放射性废物降至热堆的百分之一的量级,环境友好性极佳,可以做到不需场外应急系统.由于极好的安全性,这种能源系统可以抵近城市建造,并可实现热电联供,从而也可大大提高所生产能量的利用效率.

此外,中国工程物理研究院研究团队还创新提出了Z箍缩驱动器的设计理念,使Z箍缩驱动聚变裂变混合堆的概念变得十分清晰、明朗.这是一种非常安全、经济、持久、环境友好的核能源,以当前的判断,它也是一种最具竞争力的千年能源.目前该概念逐渐获得国内科技界和核能界越来越多的认同,并逐步迈向科学验证及工程研究实施阶段.

七十载春秋风华,五十年丹心铸剑,可以说,彭先觉已经将自己的心血和灵魂全部默默倾注给了祖国的科技事业,熔做了他的体,化作了它的魂.如今,虽已年逾古稀,但他仍坚持在科研第一线,为实现组织的“创新强国梦”而努力!

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