中国工程院院士彭先觉：聚变发电、裂变发电联手，解锁下一代核能
本刊记者 王若溪 程洪瑾
在全球能源转型深入推进、人工智能（AI）算力需求持续增长的双重背景下，核聚变作为“终极能源”的定位正被重新审视。然而，核聚变商业化面临的物理与工程瓶颈依然突出。
中国工程院院士彭先觉提出的Z箍缩聚变—裂变混合堆（Z-FFR）技术路线，在安全性、经济性、可持续性与电网兼容性之间取得平衡，为打破这一困局提供了新的思路。
《能源评论》日前对彭先觉院士进行了采访，他表示，业界已越来越认识到，纯聚变难以成为 “终极能源”，Z-FFR路线的精妙之处在于Z箍缩聚变的突破，以及聚变与裂变巧妙组合所形成的优势互补和系统级的创新。未来最大的挑战不在于某个单一技术瓶颈，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。这需要国家战略层面的支持与市场机制、社会资本共同参与。
技术路线：从“单点突破”到“系统耦合”
《能源评论》：您多次提到纯聚变能源面临根本性挑战。这一判断的依据是什么？请具体阐述一下当前主流技术路线的瓶颈。
彭先觉：核能释放主要通过轻核聚变与重核裂变两种方式。当前聚变研究集中于磁约束与惯性约束两大路线。以国际热核聚变实验堆（ITER）为代表的磁约束聚变研究，虽然在等离子体物理研究中进展显著，但在工程层面仍面临耐辐照材料、氚自持等严峻挑战，且高温等离子体破裂问题至今仍未根本解决：温度越高，体积越大，破裂造成的损害越严重。以美国国家点火装置（NIF）为代表的激光惯性约束聚变，虽在实验层面缓解了部分材料辐照难题，但激光器能量转换效率偏低，且氚自持难关同样难以逾越。
更为关键的是，单纯追求“人造太阳”式的纯聚变能源，面临物理与工程上的重大挑战。维持极端高温高压环境、解决材料辐照损伤问题、实现氚自持，每一个环节都是硬骨头。我们的分析表明，单纯“烧氘”（氘-氘聚变）实现能量净输出极为困难，创造聚变条件所消耗的能量可能远大于输出能量，因此难以构成实用的能源系统。
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。
《能源评论》：Z-FFR技术路线如何通过聚变与裂变的耦合来破解上述困局？其技术原理有何独特性？
彭先觉：Z-FFR的核心在于构建“聚变中子源+深次临界裂变包层”协同系统。我们以Z箍缩装置作为驱动器，通过强大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，瞬间释放高能中子。这些中子被包层中的裂变材料（贫化铀、钍或乏燃料）吸收，引发裂变反应，将能量放大10倍以上。
这一设计的精妙之处在于优势互补：聚变中子源强度高、可精确控制，但能量增益不足；裂变能高效放大能量，但传统裂变堆存在安全性与核废料处置难题。混合堆用裂变解决聚变能量增益不足的问题，同时依靠聚变中子的特性解决裂变电站固有的安全性与核废料处置难题。这并非简单叠加，而是系统级的创新。
安全机理：本质安全与多重屏障
《能源评论》：安全性始终是公众对核能最核心的关切。Z-FFR在设计上如何体现“本质安全”理念？
彭先觉：Z-FFR在设计上实现了本质安全。首先，系统将涉核部分全部置于地下，与地面保持严格的物理隔离。其次，裂变包层工作在“深次临界”状态，这意味着其自身无法维持链式反应，完全依赖外部聚变中子的“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。
同时，针对停堆后的余热问题，我们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，确保停堆安全。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，且氚处于负压环境，泄漏风险极低。
《能源评论》：您提到该系统可直接利用乏燃料，并采用干法处理工艺。这在核燃料循环层面有何突破？
彭先觉：该系统对核燃料的利用极为充分，不仅可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。我们提出了一套采用干法工艺处理乏燃料的简便方案，可避免传统湿法带来的环境污染。更重要的是，半衰期在10年以上的放射性元素都将在堆内嬗变，排放物质放射性低、对环境影响小，从原理上解决了裂变放射性废物长期处置难题。
经济性分析：平价上网与资源永续
《能源评论》：经济性是能源技术商业化的关键。Z-FFR的造价与运营成本处于什么水平？
彭先觉：据估算，一座百万千瓦级Z-FFR示范电站造价约在人民币200亿元量级，与现有三代核电站基本持平，未来还有进一步下降的空间；运营成本每年约10亿元，年发电量可达100亿千瓦时，折算下来电价可能在0.1元/千瓦时。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水平。
对比来看，若采用Z箍缩技术建设纯聚变电站，造价将高达250亿美元，经济上完全没有竞争力。而混合堆路线通过裂变包层放大能量，大幅减轻了聚变部分的工程压力，使造价压缩至30亿美元量级，规模化后还可能更低。
《能源评论》：在资源可持续性方面，Z-FFR如何缓解铀资源短缺的压力？
彭先觉：如果我国未来建成200座热中子堆，就意味着有200万吨铀资源可被Z-FFR利用。该系统可将铀、钍资源利用率提高至90%以上，仅地球陆地资源即可为人类供能数千年甚至上万年。一座百万千瓦电站每年仅需燃烧1吨铀、200多千克锂，这对地球资源的消耗与对环境的影响极小。
《能源评论》：在高比例可再生能源接入的背景下，Z-FFR如何与风电、光伏发电协同？
彭先觉：Z-FFR的输出功率可通过调节聚变“爆炸”的频率（如10秒、15秒或20秒一次）来快速、精确地控制，这种调节能力使其能够很好地平抑风电、光伏发电的功率波动。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，形成快速反应的智慧能源系统。
此外，该系统还可灵活用于热电联供（城市供热、大规模海水淡化）、高温制氢等场景，应用前景广阔。
产业化路径：从科学验证到商业应用
《能源评论》：Z-FFR的产业化时间表是怎样的？当前处于哪个阶段？
彭先觉：我们已建立“一体双翼”的推进体系——Z-FFR物理设计总体单位（新型研发机构）与工程设计总体单位（市场化运营公司）。
2029年前后，正在建设的50兆安国家大科学装置将建成投用，开展关键实验，验证聚变点火的科学可行性。该装置上的靶丸聚变释放能量可达数百兆焦，远超NIF的10兆焦以内水平，且整个能源系统能量增益大于1。
到2032年左右，计划建成实验供热堆，验证聚变中子与包层的相互作用，以及靶丸制备、换靶等全套工艺流程。该实验堆建成后将成为国际上领先的强中子源装置之一，中子强度较欧洲同类装置（如法国、西班牙的相关散裂中子源）高出约三个数量级；每年还可生产约1千克氚，解决氚自持问题。2035年左右，百万千瓦级示范电站有望建成，2040年左右实现商业应用。
《能源评论》：产业化面临的最大挑战是什么？
彭先觉：最大挑战不在于某个单一技术瓶颈，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。驱动器所需的电容器、开关等部件，寿命需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；裂变燃料需采用经干法处理的乏燃料。这需要我们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。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。
全球格局：原创引领与差异化竞争
《能源评论》：中美在核聚变研发上各有什么特点？中国在Z箍缩路线上处于什么位置？
彭先觉：美国历史上有先发优势，但早期主要强在工程物理方面，在面向能源应用的聚变物理、靶丸设计以及聚变-裂变混合堆路线上，相关研究开展相对有限。也就是说，在Z箍缩方面，一直没有找到真正做成聚变能源的方法。而科技创新，重在找到正确的方法。
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，进展较快，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。
《能源评论》：您如何看待当前全球聚变供应链存在的问题？这方面，我国有何优势和不足？
彭先觉：从Z箍缩混合堆路线来看，我国正在从头构建一套新的供应链。优势在于，我国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。不足之处在于，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。这需要国家战略层面的支持，以及市场机制、社会资本共同参与。