深耕核域铸重剑 领跑能源开新篇

——记著名原子核物理学家、中国工程院院士彭先觉教授

我国著名原子核物理学家、中国工程院院士彭先觉教授,从参与研制核武重器到致力于和平利用核能,他见证了我国核事业从无到有、从弱到强的辉煌历程。他提出的Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)创新方案,被认为是最有希望解决人类千年能源问题的技术路径之一。

湖湘子弟多奇志 以身铸核报国恩

1941年9月16日,彭先觉生于湖南湘潭县易俗河烟塘村一户普通家庭。自古湖湘大地英才辈出,天资聪颖的他自幼勤学善思,早早展露出众的数理禀赋。1959年,彭先觉以优异成绩考入哈尔滨军事工程学院原子能工程系,自此与核科学事业结下不解之缘,笃定了一生报国的科研之路。

哈尔滨军事工程学院,简称“哈军工”,是新中国首所高等军事工程技术学府,云集了当时国内顶尖的师资力量与青年才俊。求学期间,彭先觉潜心修习原子能专业全部课程,筑牢了核武器研究的专业根基。彼时国际风云变幻、形势严峻,核武器已然成为守护国家主权与安全的战略重器,时代使命感召下,青年学子皆胸怀赤子之心,满怀科技报国的满腔热忱。

1964年秋,彭先觉从哈军工学成毕业,分配至二机部九院理论部,投身核武器理论研究与设计工作。恰逢同年我国第一颗原子弹成功爆炸,举国欢腾、全民振奋。初入科研战线的彭先觉,心中满是民族自豪,更深知肩负的使命之重、责任之大。

九院理论部群英荟萃、名家云集,邓稼先、周光召等一大批顶尖核物理专家在此深耕治学。令彭先觉尤为感念的是,这里学风开明、学术氛围浓厚,学界泰斗与青年科研人员同堂研讨、平等交流,各抒己见、集思广益。自由包容的科研沃土,为青年人才成长成才搭建了广阔平台,彭先觉潜心钻研、砥砺精进,迅速成长为我国核武器理论研究领域的中坚骨干。

入职之初,彭先觉便投身氢弹探索攻关、理论研究与方案设计。面对高精尖科研难题,他深感现有学识仍有欠缺,便利用全部业余时间自主深耕深造,系统研习冲击波物理、等离子体物理等前沿学科,潜心研读《冲击波物理和高温高压现象》等专业著作,悉心钻研邓稼先、周光召等学术大家的授课讲义与科研成果,不断补齐知识短板、精进专业能力。

在全国通力协作、全院聚力攻坚之下,1966年12月28日,我国率先完成氢弹原理试验,赶超法国研发进程;1967年6月17日,氢弹全当量试验圆满成功。历经三年实战磨砺,加之老一辈科学家悉心栽培,彭先觉科研能力突飞猛进,很快便能独当一面,独立牵头承担重大科研任务,其过人才干也得到老一辈科研领路人的高度认可与殷切期许。

1967年秋,彭先觉出任科研组长;1970年,担任氢弹次级(氢弹主体)型号设计组组长。他全程参与我国第一代核武器多款重要型号、第二代核武器氢弹次级的理论攻关、方案设计、试验论证与定型落地工作。在科研实践中,他率先提出氢弹次级小型化技术路线,潜心探索特殊氢弹创新设计技术,多项核心设计思想填补领域空白。其研究成果有效节约了大型氢弹贵重材料消耗,增强了氢弹次级对初级威力波动的适配能力,显著提升小型氢弹次级比威力,有力推动我国尖端核武器设计跻身世界先进行列,也深化了我国对核武器机理与应用的系统性认知,为国防核事业发展立下重要功勋。

深耕核武领域之余,彭先觉还牵头参与我国“八五”时期核试验整体规划,主导历次核试验技术方案编制论证;牵头开展国内早期高功率微波技术前瞻研究,为中国工程物理研究院拓展科研方向、布局新兴领域建言献策。任职期间,他先后担任中物院副总工程师、院科技委副主任、主任等重要职务,统筹谋划并主持制定中物院“十五”学科中长期发展规划,为研究院科研体系建设、学科布局完善与人才梯队培养奠定了坚实基础。

和平利用核能源 点亮人类新未来

时间来到上世纪90年代初,随着国际形势变化和我国核武器研究进入新阶段,彭先觉开始关注核爆炸的和平利用问题。他和中国工程院几位院士一起提出“核爆聚变电站”概念,后来他又对概念作了深入研究和完善。

2000年,中物院决定开展Z-箍缩研究,并认为Z-箍缩是实现惯性约束聚变的重要途径。彭先觉被指定为技术负责人,并组织了“五位一体”的研究团队。当时,美国圣地亚国家实验室一直追求用Z-箍缩实现聚变,他们于2005年左右公布了初步的能源设想方案。彭先觉看到方案后,认为他们的聚变靶设计是不可用的,于是决定自己来做Z-箍缩用靶设计。经过几年研究,他提出了“局部体点火靶”模型。该靶设计合理,既容易实现点火,又可释放巨大能量,大大减少了对驱动器提供能量的要求,也解决了惯性约束聚变应用于能源的多项重大问题。

2008年秋,彭先觉提出了“Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)”的创新概念。这是一种把Z-箍缩聚变和裂变巧妙结合在一起的全新概念核能源方案,包含Z-箍缩驱动器、聚变靶及爆室、深次临界能源堆三部分。与传统核能方案相比,Z-FFR具有显著优势:

首先,安全性极高,没有临界安全问题,完全避免了余热安全问题;聚变部分系统内氚量仅数十毫克级;所有涉放射性部分都在地下层,地上地下严格隔离,是一个对环境几乎无影响的能源系统。因此堆可抵近城市建造,为分布式能源格局奠定了基础。

其次,经济性好,100万千瓦堆建造成本预计在30亿美元左右,与三代热堆电站相当,远低于磁约束聚变电站。同时,它可以热堆废料(包括乏燃料和贫铀)为裂变燃料,为热堆发展解决了乏燃料处理难的问题。由于堆的能量输出可大幅调节,以它做基荷能源,可以接纳更多的可再生能源上网,而不必增加其储能系统。

再次,持久性强,铀、钍资源利用率可达90%以上,可为人类供能数千年。

最后,当然也是非常重要的,它对环境非常友好。核能能量密度极高,占用的地球资源最少(如土地、矿物、建筑材料),对环境破坏最小;核废料很少,所有裂变产生的长寿命放射性核素都会在堆内被焚烧掉;每年出堆的放射性核废料仅200kg左右,而且容易取出多种放射性同位素作工业、医疗应用,其余部分,容易处理。

针对Z-FFR研发,彭先觉团队提出了明确的发展路线图:第一步,2030年左右,建成50MAZ-箍缩驱动器,验证“局部体点火靶”应用于聚变能源的可行性,实现靶丸放能数百MJ,能源系统能量增益Qeng>1的科学目标;第二步,2035年左右,对100万千瓦Z-箍缩聚变裂变混合堆进行工程演示。彭先觉表示,若按计划推进,我国有望在2040年左右实现Z-FFR的商业应用,将使我国在先进核能技术领域走在世界最前列。

2021年,彭先觉的Z-FFR项目获得国家发改委认可,建设50MA电磁驱动大科学装置验证聚变被列入国家“十四五”规划。标志着这一创新概念已获得了国家层面的高度重视和支持,同时,该技术的发展路线也越来越受到核能专家、社会各界的高度重视和认可。

从铸核重器守护家国,到深耕核能造福人类,彭先觉的科研生涯,始终与国家战略同频共振,完美诠释了科技创新与人才强国的深层内涵。他始终坚守科研初心,主张科研选题必须紧扣国家重大发展需求;在团队建设上,格外重视青年科研人才培养,敢于放手赋能、压担历练,依托“老带新”传承机制,培育出多名国家级学科领军人才,搭建起老中青梯次完备、接续奋进的科研队伍,为我国核能事业长远发展积蓄了雄厚人才力量。

老骥伏枥,初心不改。如今已是耄耋之年的彭先觉院士,依旧初心如磐、热忱不减,坚守在核能科研一线。身处全球能源转型与气候治理的关键节点,他坚定认为,核能必将成为未来能源体系的基石主体,而Z-FFR技术能够为能源短缺、环境污染、气候变暖等全球性难题提供一体化解决方案。廉价、清洁、充足的新型核能,更将深刻重塑人类未来生产生活方式。

潮起能源革命,科创照亮前路。展望未来,随着Z-FFR技术持续迭代成熟并实现广泛应用,必将为人类文明永续发展注入强劲动能。当后世回望这场划时代的能源变革,彭先觉的名字,必将与核能新时代的璀璨曙光一同被载入史册、恒久闪耀。(文/王超)