2020年8月15日，中國科協在第二十二屆中國科協年會閉幕式上發布了10個對科學發展具有導向作用的科學問題，其中的一個問題是第五代核能系統會是什么樣子?就這個問題，廣州聚變科學研究所所長兼總工程師林溪石召集有關專家進行了探討和研究。

第五代核電的技術要求

林溪石團隊總結了各位專家的意見后認為第五代核電應滿足以下基本要求：①單體發電量應在2GW以上;②零排放;③無輻射，五代核電廠中心距離在5km范圍內用靈敏的輻射儀器探測，不會測量出高于本底的β射線和倫琴射線(即X射線)，用1mm厚的鈹合金簡易屏蔽，基本上測不出中子流，五代核電廠無須依賴大的冷卻水源，可建設于內陸上任何地方;④不會產生核廢料;⑤核燃料是一種提取極為簡單，造價低廉的可再生能源，足夠人類世世代代使用;⑥第五代核電可以在常溫中啟動運行，采用間歇性送料、連續輸出的運行方式。

第五代核電方案設想

第四代以前的核電都是裂變式核電站，由于聚變核電站迄今還沒研發成功，所以稱之為第五代核電。自然界中有兩種核能，一種是裂變，由一種重金屬原子在中子的轟擊下產生鏈式裂變從而釋放出大量的能量，裂變核反應的優點是不產生CO2和SO2的排放，是一種清潔能源。裂變能的另一優點是容易點火和維持反應。目前世界上絕大多數的核電站、核動力艦船都是利用核裂變的原理做成的，其應用廣泛，技術成熟。但核裂變的缺點也很嚴重，它在反應的同時釋放出大量的有害輻射，而這些輻射很容易造成二次核污染;同時，核裂變反應堆也容易出現事故，且事故影響范圍大，污染周期長(如前蘇聯切爾諾貝利核電站和日本福島核電站的事故)。

另外，核裂變的燃燒廢物也存在強烈的核輻射，很難處理，其半衰期達千年之久。由于核裂變存在嚴重的缺點，所以也限制了它的使用范圍，核裂變反應堆往往需要笨重的防護裝置，這些裝置不但體積和重量大，同時核裂變的主要燃料是鈾，而這種礦物質在地球上的儲量有限，所以核裂變不是一種可再生能源。

自然界另外一種核能是聚變能，它的原理是由兩個輕原子(氘、氚)聚變成為一種較重的原子(氦)，從而產生大量的能量，核聚變在燃料體積重量相同的情況下，所釋放的能量比核裂變大數倍，核聚變最大的優點是沒有輻射，它反應時不會釋放出β射線和倫琴射線，但是能釋放出微弱的中子流，這種中子流比較容易防護，如用一定厚度的木材、金屬材料即可隔絕，其中用鈹金屬隔離最有效，厚度很薄的鈹合金板可以完全隔絕微弱中子流的穿透。

總的來說，核聚變反應堆的防護措施是很簡單有效的。核聚變使用燃料主要是氘，這種元素大量存在于海水中，普通海水的含氘量約為1/6000，1L海水能提煉出的氘反應后產生的能量相當于300L汽油的燃燒熱。另外，太陽除了發出光和熱，還以太陽風的形式向宇宙釋放出數量不等的氘原子，以宇宙塵埃的形式在太陽系中散發出來，由于地球和月球離太陽較近，散發到地球和月球的太陽風較多，而散落在地球上的氘原子大部分落在海里，散落在陸地上的氘原子也會經過雨水和河流的搬遷作用匯入大海，也就是說落入大海的氘原子是源源不斷的，而太陽系已存在數十億年，日積月累存在海水中的氘原子數量相當浩大，足夠人類世世代代使用，而太陽風仍在不斷補充，所以核聚變是一種可再生能源。

核聚變的點火條件是當兩個氘原子的距離靠近飛米級時會發生核聚變反應(1飛米(fm)=0.000001納米(nm))，形成一個較重的原子氦，同時釋放大量能量，想要達到這種條件，要求環境溫度高達幾千萬甚至上億攝氏度，或者施加上百萬兆帕的壓力才能達到，這在地球環境中暫時難以實現，為此科學家們想出各種方法，其中一種是使用多束大型激光同時照射氘丸，使其局部溫度瞬間達到上億攝氏度，從而實現聚變反應，這種方法叫做慣性約束。

另一種方法是用強大的電流注入線圈形成環形磁場，將氘原子注入磁場內使之進入懸浮狀態，利用中子流轟擊氘原子使其溫度上升接近1億℃，直至聚變反應，這種方法叫做磁約束，也叫托卡馬克裝置。托卡馬克裝置是前蘇聯莫斯科庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代末發明的，后來世界各國的科學家們也紛紛利用這種原理來實現核聚變，目前法國正在籌建的國際合作核聚變實驗裝置ITER也是這種裝置。以上兩種方法存在很多難題無法解決，需要繼續完善，如燃料的注入問題、核能的輸出問題、裝置的穩定運行問題等。迄今為止，聚變核電站還沒有成功，國際上的專家們普遍認為要實現核聚變發電還需要世界各國的科學家們共同努力50年以上。

能否運用巧妙的方法盡早實現核聚變發電方案呢?答案是肯定的。林溪石團隊經過研究認為有個初步方案能夠實現聚變發電，這個方案的名稱叫做多層殼約束微當量重水燃燒彈聚變核電站。初步設想是制造一個直徑50m高50m的鋼筋混凝土外殼，外殼的內部由多層構成。第一層傳熱層，由耐高溫的鋼合金構成;第二層換熱層，由低熔點金屬材料構成;第三層隔熱層，由耐火材料構成;第四層持力層，由一定厚度的鋼筋混凝土構成。當在殼體的中心位置引爆一顆微當量重水燃燒彈時(約80tTNT當量)，殼體內部會出現高達1500℃的溫度及2000MPa的壓力，此時殼體的導熱層會將熱量逐步傳遞給換熱層，換熱層的液體金屬在高壓泵的作用下逐步循環散熱，同時將熱量傳遞給設置在殼體周邊的高壓蒸汽鍋爐，從而將能量傳遞出去，通過蒸汽輪機發電，電力經過并網輸入電網完成發電任務。

隔熱層的作用是將換熱層高達500℃左右的溫度隔絕，使高溫不會傳遞給鋼筋混凝土磁力層，保護磁力層不受損害。多層殼約束微當量的核心技術是制造微當量小型重水燃燒彈，國際上習慣稱1000tTNT當量以下的重水燃燒彈為小當量，少于100tTNT當量的重水燃燒彈為微當量，小當量、微當量的重水燃燒彈在軍事上用途很廣泛，陸軍可用于裝填遠程火箭炮，海軍可用于打擊大型水面艦艇及反潛，空軍可用于摧毀敵方的大型機場和機庫。重水燃燒彈的微型化是世界各國軍事科研部門一直在研究的項目，如美軍已大量裝備了這種武器。

微型重水燃燒彈由于當量小，破壞范圍不廣，不屬于大規模殺傷武器，所以并沒有遭到世界各國的譴責而限制其發展。重水燃燒彈當量的大小可以通過調整原料DO2的數量和豐度來實現，但需要通過大量試驗來驗證，這種試驗不僅周期長且需要投入一大筆經費，不是一般小國家能夠承擔的。聚變核電站使用的氘丸就是利用軍事上小、微當量的重水燃燒彈來實現的，無須另外投入研發費用，屬于軍民融合項目。

微當量重水燃燒彈的發射裝置是一種管狀發射器，其原理相當于加農滑膛炮，利用彈丸的高射速來穩定出炮口的彈道，彈丸的發射間隔為每5min一發，發射間隔時間裝定及彈丸的裝填可用程序控制，自動完成，在離炮口25m的距離位置上爆炸，時間引進可利用現代數碼雷管技術來實現在線裝定。現代數碼雷管技術的定時很準確，可精確到微秒級，數碼雷管和核點火雷管是一體化的，只要軍方立項，一般雷管廠可以完成研發任務。

第五代核電的開發計劃建議

第五代核電的研發周期大約需要5年左右的時間，整體造價不會很高，可控制在每座100億人民幣左右，建議國家發改委將發展第五代核電的項目列入國家第十四個五年計劃，同時建議科技部將第五代核電的科研計劃作為重大專項立項，組織有關科研部門、軍工企業及有關能源部門共同完成。第五代核電是一項造福全人類的顛覆性能源革命，其影響力不亞于18世紀蒸汽機的發明和20世紀的原子彈發明，它將一勞永逸地解決人類的清潔能源問題，五代核電也是最尖端的科學技術，誰掌握此項技術，誰就掌控能源科學的制高點，希望國家有關部門和領導能夠重視。

此項目的起步階段需要的人力和經費并不高，如研發成功的微當量重水燃燒彈，它是整個項目的核心，重水燃燒彈使用數碼核雷管來點燃，數碼核雷管由于涉核及有軍事用途，需要軍事部門向軍工單位下達任務才能進行。第五代核電一旦研發成功，可逐步將我國260多個大型燃煤發電廠更換成五代核電廠，這將徹底解決我國能源長期對煤炭和石油的依賴，同時創造出一個數萬億人民幣產值的新型行業。

本文刊發于《中國高新科技》雜志2020年第19期

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