在現(xiàn)有的科學(xué)框架內(nèi)，可控核聚變可以說是人類的終極能源，取之不盡、用之不竭，同時(shí)具有清潔、安全、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)人類社會(huì)的影響不亞于又一場(chǎng)工業(yè)革命。
——李正宏 中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所研究員
核能核電系列報(bào)道①
◎李 迪 陳 科
3月13日，中國自主三代核電技術(shù)“華龍一號(hào)”福清6號(hào)機(jī)組應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)成功;此前，“華龍一號(hào)”全球首堆中核集團(tuán)福清核電5號(hào)機(jī)組正式投入商業(yè)運(yùn)行，這標(biāo)志著我國打破了國外核電技術(shù)壟斷，正式進(jìn)入核電技術(shù)先進(jìn)國家行列。
從小小的原子核中迸發(fā)出的能量被人類寄予厚望。這種能量從何而來?它與核武器中爆發(fā)出的能量有何異同?在將它變成人類終極能源之前，我們還要邁過哪些技術(shù)難關(guān)?對(duì)此，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了相關(guān)專家。
核電與核武器“師出同源”
提起核能，很多人的第一反應(yīng)是威力巨大的核武器。“核武器主要分為核裂變武器與熱核武器兩種，其中核裂變武器俗稱原子彈，而熱核武器俗稱氫彈。”中國工程物理研究院(以下簡稱中物院)核物理與化學(xué)研究所李正宏研究員介紹，相比于氫彈，原子彈采用的核裂變反應(yīng)的引發(fā)較為容易，只需要達(dá)到臨界質(zhì)量即可。
氫彈的能量主要來自于輕核材料的原子核聚變，這種輕核材料是氫的同位素氘和氚。李正宏說：“相比于核裂變，核聚變反應(yīng)需要極高的溫度、壓力才能引發(fā)。熱核武器的技術(shù)難度遠(yuǎn)大于核裂變武器，威力也相當(dāng)驚人，蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的大伊萬氫彈的核爆當(dāng)量達(dá)到了5800萬噸，是廣島原子彈的3800多倍。”
可以看出，氫彈的威力遠(yuǎn)大于原子彈。這是否與核裂變和核聚變截然不同的原理有關(guān)?
作為一種特殊的武器裝備，核武器的反應(yīng)原理不會(huì)像一顆子彈那么簡單。中物院核物理與化學(xué)研究所黃洪文研究員介紹，在核裂變反應(yīng)中，重核原子(如鈾-235)經(jīng)中子撞擊后，裂變成為兩個(gè)較輕的原子，同時(shí)釋放出數(shù)個(gè)中子。釋放出的中子再去撞擊其它的重核原子，從而形成連鎖反應(yīng)，使得裂變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。
而在裂變反應(yīng)中，通過吸收多余中子，維持中子數(shù)量平衡，裂變反應(yīng)的速度能夠得到控制，核裂變能就可以穩(wěn)定釋放。目前核電站采用的就是這種技術(shù)，“華龍一號(hào)”即為其代表。
黃洪文指出，與裂變反應(yīng)不同的是，在聚變反應(yīng)中，兩個(gè)較輕的原子核直接碰撞、結(jié)合，形成一個(gè)較重的核(可能伴隨形成一個(gè)極輕的核)。聚變反應(yīng)的維持非常困難。
李正宏進(jìn)一步解釋，由于原子核都帶有正電荷，只能利用極高的溫度、壓力才能克服原子核之間巨大的核力使得輕核結(jié)合。“在核聚變的引發(fā)和維持都非常困難的條件下，目前只有氫彈實(shí)現(xiàn)了聚變能量釋放，而能夠?qū)崿F(xiàn)能量增益的可控核聚變?nèi)栽诔掷m(xù)研究中。”
簡單來說，可控核聚變是指合理地控制核聚變的速度和規(guī)模，實(shí)現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。那么如何才能滿足聚變反應(yīng)的多個(gè)條件?李正宏介紹，首先必須提高物質(zhì)的溫度，使原子核和電子分開，處于這種狀態(tài)的物質(zhì)稱為等離子體，然后適當(dāng)?shù)乜刂频入x子體的溫度、密度和封閉時(shí)間(維持時(shí)間)。
“這三項(xiàng)條件缺一不可，這其中等離子體的溫度需達(dá)到約1億攝氏度。這種高溫等離子的產(chǎn)生、維持以及與之相關(guān)的一系列工程問題也是目前可控核聚變實(shí)現(xiàn)的主要難點(diǎn)。”李正宏說。
困難與收益成正比
通過控制反應(yīng)速度，令人聞之色變的核能可以搖身一變，成為具有廣闊應(yīng)用前景的新能源，服務(wù)于生活。如今，作為一種清潔無污染的高效能源，核能早已成為太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水能等受地域限制極為明顯的能源的重要補(bǔ)充，顯示出強(qiáng)大的生命力。通過核裂變反應(yīng)進(jìn)行的新型第三代、第四代核電站在安全性、經(jīng)濟(jì)性等諸多方面取得了長足進(jìn)步。在核裂變發(fā)電已經(jīng)取得良好應(yīng)用成果的前提下，發(fā)展可控核聚變技術(shù)更是顯得困難重重，那么，研究可控核聚變的意義又在哪里?
可控核聚變反應(yīng)的原料可直接取自海水，來源幾乎取之不盡;其安全性是核裂變反應(yīng)堆無法相比的，只要不維持對(duì)等離子體的約束，聚變反應(yīng)便會(huì)自動(dòng)停止;核聚變產(chǎn)生的核廢料半衰期極短，因而核泄漏時(shí)總危害很低，其廠外只需將一公里內(nèi)的居民應(yīng)急撤離，事故后短時(shí)間內(nèi)環(huán)境即可恢復(fù)正常。
“不僅如此，可控核聚變也是一種優(yōu)質(zhì)中子源，借此可以觸發(fā)核裂變。利用中子源觸發(fā)核裂變反應(yīng)稱為次臨界核裂變，次臨界核裂變不但安全性接近核聚變，且技術(shù)難度較純核聚變發(fā)電低，還可以處理核裂變發(fā)電生成的核廢料，使其半衰期由數(shù)萬年縮短為數(shù)百年。”李正宏說。
相關(guān)專家表示，關(guān)于可控核聚變的研究爭(zhēng)議有幾個(gè)方面。有人認(rèn)為其研制周期長、耗資巨大，因此在石化能源充沛，太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)展迅猛的當(dāng)代難以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。
目前在建的最大的實(shí)驗(yàn)型聚變裝置為法國南部的國際熱核聚變反應(yīng)堆(ITER)。其項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)開始于1992年，隨后受設(shè)計(jì)變更、成員國變更等因素影響，直至去年7月28日才開始其托卡馬克裝置的安裝工程，引發(fā)了很多對(duì)可控核聚變的爭(zhēng)議。
“我國對(duì)可控核聚變的研究始于上世紀(jì)50年代，老一輩核物理學(xué)家倡導(dǎo)開展‘可控?zé)岷朔磻?yīng)’研究以來，中國核聚變研究沿著磁約束聚變和慣性約束聚變兩條技術(shù)路線展開。”李正宏介紹，60多年來，中國可控核聚變從無到有，從弱到強(qiáng)，取得跨越式發(fā)展，部分方向已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國際引領(lǐng)。
可控核聚變或是人類終極能源
目前為止，最主要的幾種可控核聚變方式有磁約束核聚變、激光約束核聚變、Z箍縮驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變。
磁約束核聚變中，科研人員首先利用加熱系統(tǒng)將聚變?nèi)剂霞訜嶂粮邷氐入x子體狀態(tài)，然后利用磁場(chǎng)約束等離子中的帶電粒子，主要包括氘原子核、氚原子核和電子，帶電粒子會(huì)沿著磁場(chǎng)線螺旋運(yùn)動(dòng)，從而避免直接與外部的容器壁接觸，被磁場(chǎng)約束的等離子體將繼續(xù)升溫至超過1億攝氏度，直到引發(fā)核聚變反應(yīng)。
激光約束核聚變是前面所提到的慣性約束聚變的一種，指利用激光的沖擊波使包含氘和氚的燃料球在瞬間達(dá)到極高的溫度和壓力，引發(fā)核聚變反應(yīng)。與持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的磁約束聚變的區(qū)別在于激光約束聚變以脈沖的形式運(yùn)行。
Z箍縮驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變與激光約束聚變?cè)诰圩冞^程上有相似之處，不同之處在于，Z箍縮是利用沿軸向(也就是Z軸方向)的強(qiáng)大電流產(chǎn)生的自箍縮效應(yīng)，對(duì)氘氚燃料球加熱、加壓，Z箍縮驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變同樣以脈沖的形式運(yùn)行。
大多數(shù)人都知道，常見的核聚變反應(yīng)的原料是氫的同位素。“目前，氘和氚是核聚變的最佳燃料，其發(fā)生核聚變所需的溫度、壓力條件最容易滿足，其中氘是氫的穩(wěn)定同位素，可以直接從海水中獲得。”李正宏說。
那么，為什么海水中能輕易獲得核反應(yīng)原料氘，但是氚的獲取難度卻相當(dāng)高?
李正宏進(jìn)一步解釋道，氘是氫的穩(wěn)定同位素，包含1個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，在海水中所有氫中的占比約為七千分之一，其分離較為容易;而氚是氫的不穩(wěn)定同位素，包含1個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子，會(huì)自發(fā)衰變，每過12.43年就要減少一半，所以地球誕生之初所存在的氚早已衰變得無影無蹤。
實(shí)際上，自然界中殘存的氚是宇宙射線的產(chǎn)物，全部含量只有幾千克，可以忽略不計(jì)，聚變發(fā)電所需的氚只能通過核反應(yīng)人工合成，最簡單的方式是利用鋰與中子反應(yīng)生成氚，氘吸收中子也能生成氚。
“在現(xiàn)有的科學(xué)框架內(nèi)，可控核聚變可以說是人類的終極能源，取之不盡、用之不竭，同時(shí)具有清潔、安全、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)人類社會(huì)的影響不亞于又一場(chǎng)工業(yè)革命。”李正宏表示。
