能源資源的可持續(xù)利用是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)之一。世界一次能源將在百年內(nèi)面臨供應(yīng)危機(jī)的嚴(yán)竣威脅。改變能源結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展核電、逐步替代化石燃料是未來(lái)世界能源必然的發(fā)展趨勢(shì)。核電發(fā)展將經(jīng)歷熱堆—快堆—聚變堆三個(gè)階段。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，聚變堆將在二十一世紀(jì)中、后期逐步成為商業(yè)化用堆，并將成為能源可持續(xù)發(fā)展的中堅(jiān)。

        一、前言

       在世界經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，可持續(xù)發(fā)展(Sustainable development)已經(jīng)成為世界各國(guó)政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)?？沙掷m(xù)發(fā)展的概念可理解為：發(fā)展是目的，關(guān)鍵是可持續(xù)。實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展就是要尋求一條社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、資源和人口相互協(xié)調(diào)的、既能滿足當(dāng)代人的要求、又不對(duì)滿足后代人需求構(gòu)成危害的可持續(xù)發(fā)展的道路。不能吃祖宗飯，斷子孫路。實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今全世界緊迫而又艱巨的任務(wù)，它直接關(guān)系到人類的前途、命運(yùn)，影響到每一個(gè)國(guó)家、每一個(gè)民族、甚至每一個(gè)人。1992年6月在巴西召開(kāi)的聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì)上通過(guò)了《里約環(huán)境與發(fā)展宣言》、《21世紀(jì)議程》等公約、文件，充分體現(xiàn)了世界各國(guó)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的新思想，反映了關(guān)于環(huán)境與發(fā)展領(lǐng)域合作的全球共識(shí)和最高級(jí)別的政治承諾。中國(guó)政府根據(jù)大會(huì)精神于1994年制定了《中國(guó)21世紀(jì)議程》，并已成為制定社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展長(zhǎng)期計(jì)劃的指導(dǎo)性文件。世界各國(guó)都在把可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略作為一項(xiàng)基本國(guó)策。

    中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本點(diǎn)有三：控制人口、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，以穩(wěn)定社會(huì)。我們要保護(hù)和合理利用資源，促進(jìn)持續(xù)發(fā)展。資源的可持續(xù)利用是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)之一。能源資源是國(guó)有資源的重要組成部分。能源工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人民生活水平都極為重要。如何做到能源的可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)這一問(wèn)題都極為關(guān)注。本文對(duì)此談點(diǎn)粗淺看法。

    二、世界能源的危機(jī)感

    1994年末全球一次能源的可采儲(chǔ)量為14277．34億噸標(biāo)煤，其中煤占73．1％，石油占13．8％，天然氣占13．1％，而當(dāng)年的開(kāi)采量為104．481億噸標(biāo)煤。靜態(tài)儲(chǔ)采比為137年，亦即經(jīng)過(guò)137年后，一次能源將被采盡。假定全球每年一次能源消耗量遞增1．5％，則動(dòng)態(tài)儲(chǔ)采比為75年。按目前的開(kāi)采量計(jì)算，全球煤炭、石油、天然氣可供開(kāi)采的年限分別為：

    煤：230年，如按年均1．2％開(kāi)采速度遞增，可開(kāi)采112年；

    石油：45年，如按年均1．5％開(kāi)采速度遞增，可開(kāi)采34年；

    天然氣：67年，如按年均1．8％開(kāi)采速度遞增，可開(kāi)采44年。

    可以預(yù)料，在21世紀(jì)末期，一次能源在可采儲(chǔ)量方面將面臨枯竭。即使考慮到今后科技的進(jìn)步，在資源勘測(cè)和新的鉆探開(kāi)采技術(shù)的提高，能對(duì)不易開(kāi)采的礦藏進(jìn)行有效的開(kāi)采，也不可能對(duì)儲(chǔ)采比延長(zhǎng)多久。一次能源的枯竭遲早要出現(xiàn)。除了一次能源有限，將要出現(xiàn)供應(yīng)危機(jī)外，大量使用化石燃料所排放的S0₂導(dǎo)致酸雨越來(lái)越嚴(yán)重、所排放的C0₂引起溫室效應(yīng)、大量采煤導(dǎo)致土地嚴(yán)重退化和導(dǎo)致水體嚴(yán)重污染等、都將危害環(huán)境和破壞生態(tài)平衡，也構(gòu)成危機(jī)。二者對(duì)人類的生存造成了日趨嚴(yán)重的威脅。因此，改變能源結(jié)構(gòu)，大規(guī)模地發(fā)展利用核能替代化石燃料，并構(gòu)成未來(lái)世界能源的支柱，將成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。

    三、中國(guó)嚴(yán)竣的能源問(wèn)題

    1994年末，中國(guó)一次能源儲(chǔ)量為：

    煤：探明儲(chǔ)量約為1萬(wàn)億噸，但按世界能源委員會(huì)定義的可采儲(chǔ)量只有1145億噸標(biāo)煤；

    石油：探明儲(chǔ)量為940億噸，可采儲(chǔ)量33億噸，折合標(biāo)煤為47．2億噸；

    天然氣：探明儲(chǔ)量38萬(wàn)億立方米，可采儲(chǔ)量為1．7萬(wàn)億立方米，折合標(biāo)煤

為22．6億噸。

    總計(jì)可采儲(chǔ)量為1214．8億噸標(biāo)煤。1994年我國(guó)一次能源總耗量為11．6232億噸標(biāo)煤，靜態(tài)儲(chǔ)采比為105年。假定年均消耗按3％速度遞增，則動(dòng)態(tài)儲(chǔ)采比為48年。國(guó)內(nèi)煤炭、石油、天然氣可供開(kāi)采的年限分別為：

    煤：93年，如年均按3．3％的開(kāi)采速度遞增，還可開(kāi)采43年；

    石油：23年，如年均按1．5％的開(kāi)采速度遞增，還可開(kāi)采20年；

    天然氣：100年，如年均按6％的開(kāi)采速度遞增，還可開(kāi)采33年。

    上述數(shù)據(jù)表明，我國(guó)一次能源的可采儲(chǔ)量極不樂(lè)觀，全球動(dòng)態(tài)儲(chǔ)采比是75年，而我國(guó)只有50年。為使我國(guó)經(jīng)濟(jì)能持續(xù)、高速、健康的發(fā)展，必須認(rèn)真執(zhí)行“開(kāi)發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在首位”的方針。當(dāng)前我國(guó)能源的浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重：煤炭回采率全國(guó)平均只有32％；煤轉(zhuǎn)化為電力的比重太低，發(fā)達(dá)國(guó)家一般在60％以上，而我國(guó)只有31％；能源效率只有30％左右，比國(guó)外先進(jìn)水平低10％；單位國(guó)民生產(chǎn)總值能耗是發(fā)達(dá)國(guó)家的3—4倍；工業(yè)單位能耗，比發(fā)達(dá)國(guó)家高30～90％；煤炭最大浪費(fèi)是50萬(wàn)臺(tái)中小鍋爐和窯爐，如加以改造，每年可節(jié)約煤1億噸，相當(dāng)全國(guó)煤炭產(chǎn)量的1／12；鋼生產(chǎn)單位能耗高60％等等。除勵(lì)行節(jié)約外，還應(yīng)積極開(kāi)發(fā)利用水能資源。我國(guó)水能資源理論儲(chǔ)量達(dá)6760億千瓦，據(jù)估計(jì)，全國(guó)經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量為2．9億千瓦。1994年水電裝機(jī)容量已達(dá)4906萬(wàn)千瓦，占經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量16．9％。但水能資源分布不均，受自然條件制約更大，而且要與防洪、灌溉、航運(yùn)等方面統(tǒng)籌規(guī)劃。太陽(yáng)能、地?zé)?、風(fēng)能、湖汐等發(fā)電方式，也應(yīng)積極開(kāi)發(fā)利用。但這些發(fā)電裝機(jī)容量都較小，而且受自然條件的嚴(yán)重制約，只能在個(gè)別局部地區(qū)供電，不可能做為重要骨干電源。因此，大力勵(lì)行節(jié)約，改變能源生產(chǎn)與消費(fèi)方式，實(shí)現(xiàn)能源、電力結(jié)構(gòu)多樣化，建立能用之不竭、對(duì)環(huán)境危害小甚至無(wú)害的能源系統(tǒng)是中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。在這些能源中核能是可持續(xù)發(fā)展的希望。

    四、核能：能源可持續(xù)發(fā)展的希望

    核能發(fā)電是安全可靠、清潔、對(duì)環(huán)境污染小、經(jīng)濟(jì)性好的能源。

核能分為核裂變能與核聚變能二大類。核裂變能又分為由熱中子引起235U裂變和由快中子引起239p11裂變二類。完成這些過(guò)程的裝置稱為熱中子反應(yīng)堆(簡(jiǎn)稱熱堆)、快中子增殖堆(快堆)和核聚變堆。

1．熱堆核電站

1994年世界一次能源消耗中，核電占7．2％，相當(dāng)于8．15億噸標(biāo)煤。1996年全世界運(yùn)行的核電機(jī)組共443座，裝機(jī)容量達(dá)3．45億千瓦，發(fā)電量為2．3萬(wàn)億千瓦小時(shí)，占全世界電力生產(chǎn)的17％左右。在全世界運(yùn)行的核電站中，美國(guó)最多(110座)，其次是法國(guó)(57座)和日本(53座)。就核電占電力生產(chǎn)的比例而言，立陶宛最高(85．6％)，其次是法國(guó)(77．4％)、比利時(shí)(57．2％)、瑞典(52．4％)。

中國(guó)核電起步較晚，目前裝機(jī)容量?jī)H210萬(wàn)千瓦，占我國(guó)一次能源總耗量的0．4％。據(jù)有關(guān)部門(mén)預(yù)測(cè)，我國(guó)核電的發(fā)展從現(xiàn)在起至2010年將達(dá)2000萬(wàn)千瓦，至2020年達(dá)4000萬(wàn)千瓦以上，約占當(dāng)時(shí)總裝機(jī)容量的6％以上。

目前世界上運(yùn)行的核電機(jī)組絕大多數(shù)是熱堆，這種堆所用的資源主要是天然鈾。世界上天然鈾資源較豐富，地質(zhì)儲(chǔ)量約為2500萬(wàn)噸。由于熱堆僅能利用天然鈾中含量極少的²³⁸U，而天然鈾中含量99％以上的²³⁸U還沒(méi)有得到充分利用，所以天然鈾供熱堆使用，相當(dāng)于增加50％的一次能源可采儲(chǔ)量。發(fā)展熱堆不但可緩解一次能源的供應(yīng)危機(jī)，而更重要的是積累工業(yè)Pu，為快堆發(fā)展作準(zhǔn)備。1個(gè)100萬(wàn)千瓦級(jí)的熱堆核電站，假定發(fā)電量因子為70％，壽命40年，則共需消耗天然鈾6500噸，可積累工業(yè)Pu6．4噸，供2座100萬(wàn)千瓦級(jí)快堆的裝料。

2．快堆核電站

目前在俄羅斯、法國(guó)、日本和印度已有8座快堆在正常運(yùn)行。由法、德、意三國(guó)聯(lián)合建造的超鳳凰快堆核電站的裝機(jī)容量已達(dá)120萬(wàn)千瓦，期望能在經(jīng)濟(jì)上同壓水堆核電站相競(jìng)爭(zhēng)?？於押穗娬粳F(xiàn)正處在建造商用核電站階段。我國(guó)正在建造2萬(wàn)千瓦電功率的試驗(yàn)性快堆，預(yù)計(jì)2003年投產(chǎn)。并以此為基礎(chǔ)，于下世紀(jì)初建立商用快堆核電站。

發(fā)展快堆核電站可以將天然鈾資源的利用率從熱堆的1％提高到60％以上，相當(dāng)于增加一次能源可采儲(chǔ)量的30倍。這不但可以大大緩解化石燃料供應(yīng)的危機(jī)，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡、減輕運(yùn)輸壓力、將化石燃料轉(zhuǎn)化為化工原料等等都有極大好處。發(fā)展快堆還能解決熱堆核電站運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命錒系元素，使其在快堆中燒成便于處置的裂變產(chǎn)物。

我國(guó)發(fā)展快堆，必須以加快發(fā)展熱堆為基礎(chǔ)，以便為快堆提供Pu裝料。下面根據(jù)計(jì)算，提供熱堆與快堆相互發(fā)展的2個(gè)方案，以供參考。

方案一：在2000～2020年的20年內(nèi)，如果每年投運(yùn)200萬(wàn)千瓦熱堆機(jī)組，總共4000萬(wàn)千瓦，則共需提供天然鈾6．7萬(wàn)噸，積累工業(yè)Pu可建100萬(wàn)千瓦級(jí)快堆21座，倍增快堆5座，共可建快堆26座，裝機(jī)總?cè)萘抗?/SPAN>6600萬(wàn)千瓦。如2020年后熱堆機(jī)組停建，到2040年快堆共有88座，熱堆仍為40座，共有裝機(jī)容量1．28億千瓦，還需提供天然鈾12．8萬(wàn)噸。此方案到2040年還達(dá)不到裝機(jī)容量1．5億千瓦。

方案二：在2000—2020年間，前10年每年投產(chǎn)200萬(wàn)千瓦熱堆機(jī)組容量，后10年每年投產(chǎn)400萬(wàn)千瓦，至2020年共擁有熱堆裝機(jī)容量6000萬(wàn)千瓦。在這20年內(nèi)由于熱堆工業(yè)Pu的積累和快堆的倍增，還可建快堆機(jī)組4000萬(wàn)千瓦。故到2020年止，熱堆與快堆的裝機(jī)容量達(dá)1億千瓦。從2020年后停止再建熱堆，至2040年可建快堆2億千瓦。在2040年，核電總裝機(jī)容量達(dá)3億千瓦。40年內(nèi)共?肖耗天然鈾約30萬(wàn)噸，此方案說(shuō)明，只要增加2000萬(wàn)千瓦熱堆的投入，就可等到2．4億千瓦的快堆裝機(jī)容量。

盡管隨著快堆的商業(yè)化應(yīng)用能較大地提高鈾資源的利用率，然而鈾資源同煤炭、石油一樣，也是要耗盡的。所以，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，最終解決能源供應(yīng)問(wèn)題，還得靠核聚變堆。

3．核聚變能：人類取之不盡，用之不竭的能源

與核裂變反應(yīng)相反，核聚變反應(yīng)是由2個(gè)輕的原子核如氘、氚聚合在一起而形成較重的原子核反應(yīng)。發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)放出的能量比裂變反應(yīng)放出的能量大4倍。

核聚變所需的原料氘含在海水中。地球表面積約71％是被3。61億平方公里的海洋面積覆蓋著，其平均深度為3．8公里，即共有海水137億億m ³。每升海水中含氘0．032克，氘的總儲(chǔ)量達(dá)40萬(wàn)億噸以上。每升海水含氘的聚變能量相當(dāng)于250升石油。所以海水中的氘可供人類使用300億年以上，確實(shí)是取之不盡，用之不竭的能源。

聚變反應(yīng)的產(chǎn)物是惰性氦，不產(chǎn)生放射性廢物，比裂變反應(yīng)堆還要干凈，即使產(chǎn)生的中于能使物質(zhì)活化，其放射性水平也比裂變反應(yīng)堆低得多。聚變過(guò)程中燃料的加入量不受臨界質(zhì)量的限制，可以通過(guò)注入燃料的多少直接控制其能量的釋放。出現(xiàn)故障時(shí)，可停止加料和停堆，且不產(chǎn)生余熱，絕不會(huì)出現(xiàn)堆芯熔化事故和放射性泄漏事故。所以其安全性大大高于裂變反應(yīng)堆。因此，聚變堆核電站是安全、干凈、對(duì)環(huán)境污染小、用之不竭的可持續(xù)發(fā)展能源的希望。

目前世界上還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)堆電站。其主要困難在于要使2個(gè)輕核融合在一起發(fā)生聚變反應(yīng)，必須克服它們之間的靜電斥力。這就需要將燃料加熱到上億度的高溫，這時(shí)燃料變成正負(fù)電荷相等的混合氣體，即等離子體。而且高溫等離子體必須約束在一定體積內(nèi)，使其有足夠的密度、足夠長(zhǎng)的約束時(shí)間，以保證有足夠大的反應(yīng)幾率，才能實(shí)現(xiàn)受控聚變反應(yīng)。

目前按受控約束方法分為磁約束核聚變和慣性約束核聚變兩大類。

磁約束核聚變采用的是托卡馬克裝置。在50年代，前蘇聯(lián)就建造了這種裝置，美國(guó)、歐州、日本也相繼研制。目前磁約束核聚變的研究已達(dá)到驗(yàn)證科學(xué)可行性階段。1993年在美國(guó)的TFTR托卡馬克裝置上獲得3～4億度高溫。1996年10月在日本的JT—60托卡馬克裝置上得到了輸出與輸入能量比Q=1．05的好結(jié)果。我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的中國(guó)環(huán)流器新一號(hào)是一個(gè)性能優(yōu)良的受控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，1997年5月在實(shí)驗(yàn)中獲得了長(zhǎng)達(dá)4秒的長(zhǎng)脈沖放電，表明運(yùn)行主要參數(shù)達(dá)到了國(guó)際同規(guī)模裝置的先進(jìn)水平。但磁約束核聚變要達(dá)到真正商業(yè)化還需要經(jīng)過(guò)建造工程實(shí)驗(yàn)堆到商用堆驗(yàn)證幾個(gè)發(fā)展階段，預(yù)計(jì)在21世紀(jì)中、后期可能實(shí)現(xiàn)聚變堆的商業(yè)化。

慣性約束核聚變，它是利用物質(zhì)本身運(yùn)動(dòng)的特性即慣性達(dá)到約束的目的。按引發(fā)聚變的高功率能源(又稱驅(qū)動(dòng)器)分為激光聚變與粒子束聚變。

激光聚變的研究開(kāi)始于60年代，美國(guó)研究的最早。最近在OMEGA激光器上取得了至今世界上最大激光聚變實(shí)驗(yàn)的好成果。該裝置共有60路激光束，總能量達(dá)30KJ。平均每小時(shí)打氘一氚靶丸一次，每次出中子10¹³—10¹⁴。靶丸溫度為13～14Kev。激光聚變“點(diǎn)火”意味著慣性約束的科學(xué)可行性的驗(yàn)證，點(diǎn)火裝置已從遠(yuǎn)景規(guī)劃進(jìn)入近期議事日程。法國(guó)、日本、俄國(guó)也積極開(kāi)展研究。我國(guó)在60年代已開(kāi)始了激光打氘冰靶觀測(cè)中子的實(shí)驗(yàn)。80年代神光1號(hào)問(wèn)世，目前正在安裝神光2號(hào)，還在設(shè)計(jì)神光3號(hào)。

從國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)看，慣性約束核聚變電站的驗(yàn)證大致要到21世紀(jì)30年代。

可以預(yù)料，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，到21世紀(jì)中葉將是核聚變技術(shù)走向工程應(yīng)用、進(jìn)入開(kāi)花結(jié)果的重要時(shí)期。一旦核聚變能的應(yīng)用社會(huì)化，世界能源將根本改觀。

應(yīng)用核能從熱堆到快堆再到聚變堆三步過(guò)程，核能將為人類能源的可持續(xù)發(fā)展做出越來(lái)越重要的貢獻(xiàn)。