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彭先觉 开创我国核能和平利用新时代 先知先觉先行——中国工程院院士彭先觉的科研道路

   

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科学是人类进步的阶梯,在他所专注的核能开发和利用领域,是一个先知先觉先行者,相信随着研究的进一步深入,也必将为人类未来新能源问题的解决,尤其是在核能的和平利用事业上,做出更大的贡献——题记。 彭先觉(1941.9.16 -) 原子核物理学专家。出生于湖南省湘潭县。1964年毕业于哈尔滨军事工程学院。曾任中国工程物理研究院科技委主任,研究员。长期从事核武器理论研究与设计,参加了第一代核武器多种型号和第二代核武器氢弹次级的理论设计、试验和定型工作,是这些型号的主要负责人之一。提出了多个改进核武器设计的新设想,富有创新性和实用性,在大幅度提高核武器性能方面发挥了关键的作用,参与了“八五”核试验规划和各次核试验方案的制定,为我国核试验任务的顺利完成,使我国核武器设计水平在主要指标上进入世界先进行列做出了重要的贡献。1996年后主要从事核武器研究的规划制定和武器的安全性、可靠性研究,并十分关心核爆炸的和平利用。曾获国家科技进步奖一等奖三项,二等奖二项,三等奖二项。


伟大的革命先行者孙中山先生曾经说过:“有一种人叫做先知先觉者,他们是世界上的创造者,是人类中的发明家。”公元1941年9月16日,在湖南湘潭县一个姓彭的农户家里,诞生了一名男婴。孩子的祖父有感于孙中山先生的卓见,为他起名为“先觉”。果不其然,孩子长大后,经过刻苦攻读和不断求索,真的成为了一名核物理领域的先知先觉先行者。


数十年来,彭先觉不仅为中国的氢弹研制事业做出了卓越贡献,立下了汗马功劳,还极具创造性地提出了和平利用核能的宏大计划,并与时俱进,在传统的高碳能源难以为继,亟需新型清洁能源的当下,提出了聚变——裂变新型混合堆开发利用核能的方案。该混合堆一旦研制成功,将能够解决人类未来数千年的能源需求问题,意义重大。


厚积薄发  中国土生土长的核物理专家


彭先觉是我国著名的原子核物理学专家,曾任中国工程物理研究院科技委主任,因研究工作功勋卓著,1999年当选为中国工程院能源与矿业工程学部院士。作为新中国自己培养出来的科学家,他科研功底扎实、治学严谨、勤于思考、善于创新、严于律己、乐于助人,是一位公认的优秀学术领头人。然而成功的背后,总是凝聚着艰辛与汗水,在彭先觉看来,他一系列辉煌成果的取得,是“八分汗水,二分天智”的结果。正如大发明家爱迪生所言:“天才是百分之一的灵感,百分之九十九的汗水。”彭先觉也不例外。


出生于解放前的彭先觉,成才之路是十分艰辛的。他的父亲彭思伏念过几年私塾,在那个年代贫穷落后的乡下,算得上是个小知识分子。他的母亲很贤惠,一生勤俭,持家有方。他的祖父彭昆裕也念过两年私塾,大革命时期参加过当地农民协会,对时局变迁较为关心。小先觉5岁时,祖父就教他读“三字经”,并经常给孙儿们讲古时候的小故事,小先觉经常听得入迷。那时,母亲对他管教很严,经常督促他读书、背书、写字。这样的童年教育对彭先觉一生的成长都有着重要的影响。


1950年秋,彭先觉就读于村办小学,三年后考上湘潭县一中。他一直走读上学。由于家庭经济困难,上课时间在学校读书,放学后和礼拜天必须帮家里干活。初中阶段听老师讲授中国近代史,激发了爱国热忱,他暗下决心,要学好本领,将来报效祖国,为国家富强和人民幸福出力。1956年,彭先觉考取本校高中,仍是走读生。当时学校推行勤工俭学制度,课堂教学减少了,但参加社会实践的机会较多。有一次,学校组织高中学生参加装运右灰劳动,将窑厂烧制的石灰用独轮车运到十几华里之外的河边装船;山路崎岖,每辆车装载着近300斤重的石灰,一天来回运送两趟,连续干了半个多月。这项劳动十分艰辛,坚持下来确实不易,但却锻炼了彭先觉的毅力和合作精神。


高中时,彭先觉开始对数学和物理产生兴趣,除课堂学习外,还经常阅读一些课外资料与参考书籍,重点学习各种解题方法,仔细琢磨解题思路,加深对各种物理现象的理解,务求融会贯通。1959年秋,彭先觉以优异成绩考取哈尔滨军事工程学院原子工程系。哈军工当时是国内首屈一指的重点军事工程高校,在其后的五年时间里,彭先觉在这里刻苦攻读,积累了深厚的学识。他为人朴实,头脑聪明,基础扎实,学习得法,思维创新,性格合群,能团结同学,是系里品学兼优的尖子生。优良的知识储备和学习方法,为他日后参加工作时厚积薄发,取得一系列卓越成就,成长为核物理专家奠定了坚实的基础。 


众志成城 创造氢弹研制时间最短记录


1964年秋,彭先觉离开校门,被分配到二机部九院理论部从事核武器的理论研究及设计工作。当年,我国第一颗原子弹研制成功,彭先觉深受鼓舞。他对自己的工作岗位很满意,决心要学以致用,为祖国的核武器研制大业贡献一份力量。


彭先觉一入“核门”,就开始从事氢弹原理的探索研究。他们的研究小组是周光召、苏肇冰领导的,是当时几条氢弹原理探索路线之一。能参加这项研究,又是在著名的物理学家指导下工作,彭先觉倍感光荣和自豪,并以极大的热情投入到了工作之中。刚上手,他深感自己所学的专业知识远远不够用,便利用业余时间,学习了急需的有关冲击波物理、等离子物理等方面的知识,仔细研读了捷列多维奇的《冲击波物理和高温高压现象》,以及邓稼先、周光召等著名专家的备课讲义。研究小组的工作进行得紧张热烈,目标很明确,就是要尽快爆炸我国第一颗氢弹。到1965年秋,另一条路线获得突破性进展。大家都为这一突破感到由衷地高兴和欢欣鼓舞,积极地投入到了氢弹原理及科学技术问题的讨论中,决心以最快的速度完成各项研究、论证,争取赶在法国人前面进行氢弹试验。集思广益终于众志成城,1966年12月28日,我国成功地进行了氢弹原理试验,又于1967年6月17日成功地进行了第一次全规模氢弹试验。从第一颗原子弹试验到第一颗氢弹原理试验成功,我国只用了2年2个月时间,而美国用了7年4个月,苏联是4年,法国则是8年6个月。就这样,我国科技人员创造了氢弹研制时间最短的记录。


沧海横流 方显英雄本色


经过近3年时间的磨炼,彭先觉进步很快,业务上逐渐可以独当一面。尽管原来的路线也不是完全没有希望,但他与一些同事认为,与成功的路线相比,原来的路线物理上没有明显的优势,相反还存在较大风险,极力主张放弃原来路线的研究。1967年秋,彭先觉开始担任研究组长,1970年成为氢弹次级(也称氢弹主体)型号设计组组长,1984年又担任研究室主任,1987年晋升为研究所副总工程师。在这期间,他参加多个重要武器型号的理论设计、试验和定型工作,是这些型号的主要技术负责人之一;同时也提出了氢弹次级小型化的主要技术路线,并对一些特殊氢弹的设计技术进行了研究探索。


为了寻求最好的技术路线,使我国的尖端武器设计水平赶上世界发达国家,彭先觉多次组织小组科技人员,在认真总结经验的基础上,充分发扬学术民主,广泛听取各种意见,展开热烈的讨论,集思广益,弄清了许多设计概念。在理论设计中,他提出的设计思想和技术途径,都富有创造性、先进性和实用性,是多项关键设计思想的提出者之一,对节省大型氢弹中贵重材料用量,提高氢弹次级对初级威力变化的适应性,大幅提高小型氢弹次级比威力等方面发挥了关键作用,为我国尖端武器设计达到世界先进水平做出了重要贡献。因而,他先后荣获国家和部委级科技进步奖多项,光华一等奖,何梁何利科技进步奖物理奖,并被授予国家有突出贡献的中青年专家称号。


就这样,彭先觉将自己的智慧与才华献给了祖国的核科技事业。他从一名年轻的科技人员,一步一个脚印,成长为这一领域的学科带头人。他在技术上越来越成熟,肩上的担子也越来越重。1991年,彭先觉被任命为研究所副所长,1995年,又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。1999年,彭先觉被任命为院科技委主任,同年当选为中国工程院院士,同时兼任院科协主席和四川省科协副主席。


在本职工作之外,彭先觉还抽出一定精力关注核技术的和平利用,为发展祖国的核电事业献计献策。在一次研讨会上,何祚庥院士等提出倡议:在雅鲁藏布江大拐弯处建立大型电站,利用电站发的电力从雅鲁藏布江提水200亿立方,通过渠道将水引到位于青藏高原东北方向的青海、新疆与甘肃,改变土地面积约占全国47%的大西北的生态环境。经测算,通过调水,可以建成3个富饶的四川盆地。他积极响应该倡议,提出一个极富创造性的大胆方案:采用核爆炸技术,经济地开挖雅鲁藏布江大拐弯处直径约20米的大型涵洞,以此来建设世界上最大的水力发电站,之后对该技术途径进行了较全面的论证。


作为核武器研究者,他并不希望使用核武器,而是衷心希望核爆炸技术能够为人类未来的生存和发展作出重要贡献。从1993年起,他就开始关注核爆炸和平利用问题的研究。与合作者一起,提出“核爆聚变电站”概念。经多年研究,已提出了解决问题的相应技术途径:他创造性地设计出了爆炸威力10ktTNT当量级烧氘核装置,聚变份额大于90%,可以把人类的供能时间提高至万年以上;通过爆洞和喷钠方式可以把爆炸能量安全地转变为热能和电能;可以利用爆炸释放的大量中子把钍-232变成铀-233,把铀-238变成钚-239,实现裂变材料的循环和增殖,并可以把获得的大量铀和钚用于热中子核反应堆。这种电站从实施上讲,所有环节都在宏观的可控制的范围之内,没有特别多物理性难题。与其他聚变能源途径相比,核爆能源有技术相对简明、造价低廉、利于实施的明显优势,最重要的它能为人类提供能源的时间也最长。但也有困难,那就是让人们接受起来不太容易,这也是这一路线实现的最大障碍。


造福人类 打造千年能源


在能源问题日益凸显的今天,核能凭借其规模化、持久性、经济性和清洁性的特点,成为世界各国寄予厚望的优势能源。彭先觉与时俱进,基于他在惯性约束聚变、核物理等领域研究的深厚根底和在院内长期领导Z-箍缩研究所积累的知识,在经过数年的研究、设计、判断和各方面所取得进展的情况下,于2008年秋在院科技年会上郑重提出“Z-箍缩驱动聚变-裂变混合堆”(Z-FFR)概念。这是一种以Z-箍缩驱动实现GJ级放能的惯性约束聚变中子源+次临界能源堆组成的新型混合堆。所谓Z-箍缩就是利用数十MA电流通过金属套筒时产生的强大洛伦兹力驱动套筒高速內爆,然后利用套筒获得的动能来实现靶丸的惯性约束聚变。在这里,他提出了一种性能优良的聚变靶丸和能量转换机构设计,并与课题组一道提出并完善了新型次临界能源堆概念设计。这些设计,完全突破了传统的设计理念,是一种领先世界的创新。这种新型混合堆利用次临界能源堆对能量的放大作用,可大幅度降低对聚变中子源强度的要求,为聚变技术应用于能源创造了条件;而大量聚变中子的加入,又为改进或去除裂变堆的缺点提供了可能。因此,聚变和裂变的巧妙结合,应是未来核能源发展的康庄大道。目前“Z-FFR”概念研究在院及多个研究所、国防科工局、中国ITER中心、国家自然科学基金委的支持下应该说达到了相当深入的程度。Z-FFR中的次临界能源堆以天然铀、反应堆乏燃料为核燃料,以轻水作慢化、传热介质,可以在聚变中子源的驱动下获得20倍左右的能量增益,并可保证氚的有效循环,且能够在核燃料循环中不断添加贫化铀及钍,达到不断烧铀-238和钍的目的。通过设计可将换料时间延长至5年或更长;其核燃料循环数百年内只需用“简便干法”进行(清除易挥发裂变产物),不必进行铀-钚分离及铀同位素分离,也基本不向外界排放放射性物质(每年的放射性核废料仅200kg左右);可同时实现放能和嬗变自身产生的锕系元素的双重目标;而且,该系统始终处于次临界状态,不会出现超临界事故,容易设置非能动余热排出系统,可完全避免堆中核燃料熔化事故,安全可靠。如果这项技术能够实现,那将是能源技术的一个重要突破,并将打破我国大规模发展核能所面临的资源、技术瓶颈。这种混合堆实现起来相对容易,运行也变得较为简单,最重要的是,这个系统可以经济地(估计每个Z-FFR造价约30亿美元)把裂变燃料的资源利用率提高到90%以上,能够为人类提供千年以上的能源。


2014年5月,中国工程科技论坛在京召开,彭先觉在会上指出:“到目前为止,我们已经就Z箍缩驱动聚变裂变混合堆的主要方面开展了研究,并已形成了基本技术路线和初步概念方案。该概念方案与当前世界研究的各种核能方案相比,在安全性、经济性、持久性和环境友好性等方面,都显示出明显的优越性。因此我们认为,Z箍缩驱动聚变裂变混合堆将可能成为未来最具有竞争力的千年能源。”


这个极富创新性的概念得到院内许多同行专家的认同,一些国内核电专家和能源研究单位也对其表现出很大兴趣。当前,正积极准备争取获得国家支持。如果顺利,则有望成为2030年后核能的重要支柱。


科学是人类进步的阶梯。


先觉,指事先认识觉察的人;觉悟早于常人的人。这就是彭先觉,人如其名,在他所专注的核能开发和利用领域,是一个先知先觉先行者,相信随着研究的进一步深入,也必将为人类未来新能源问题的解决,尤其是在核能的和平利用事业上,做出更大的贡献。



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