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聚變

除了重原子核鈾235、钚239等的裂變能釋放核能外,還有另一種核反應(yīng),即輕原子核(氘和氚)結(jié)合成較重的原子核(氦)時(shí)也能放出巨大能量,這種核反應(yīng)稱(chēng)為聚變反應(yīng)。

簡(jiǎn)介

  核聚變反應(yīng)主要借助氫同位素。核聚變不會(huì)產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長(zhǎng)期和高水平的核輻射,不產(chǎn)生核廢料,當(dāng)然也不產(chǎn)生溫室氣體,基本不污染環(huán)境。

  利用核能的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)受控核聚變。裂變時(shí)靠原子核分裂而釋出能量。聚變時(shí)則由較輕的原子核聚合成較重的較重的原子核而釋出能量。最常見(jiàn)的是由氫的同位素氘(讀“刀”,又叫重氫)和氚(讀“川”,又叫超重氫)聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。

  優(yōu)點(diǎn)

  核聚變較之核裂變有兩個(gè)重大優(yōu)點(diǎn)。

  一是地球上蘊(yùn)藏的核聚變能遠(yuǎn)比核裂變能豐富得多。據(jù)測(cè)算,每升海水中含有0.03克氘,所以地球上僅在海水中就有45萬(wàn)億噸氘。1升海水中所含的氘,經(jīng)過(guò)核聚變可提供相當(dāng)于300升汽油燃燒后釋放出的能量。地球上蘊(yùn)藏的核聚變能約為蘊(yùn)藏的可進(jìn)行核裂變?cè)厮茚尦龅娜亢肆炎兡艿?000萬(wàn)倍,可以說(shuō)是取之不竭的能源。至于氚,雖然自然界中不存在,但靠中子同鋰作用可以產(chǎn)生,而海水中也含有大量鋰。

  第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是既干凈又安全。因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì),所以是干凈的。同時(shí)受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進(jìn)行,所以是安全的。

實(shí)現(xiàn)方法

  目前實(shí)現(xiàn)核聚變已有不少方法。最早的著名方法是“托卡馬克”型磁場(chǎng)約束法。它是利用通過(guò)強(qiáng)大電流所產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng),把等離子體約束在很小范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)條件。雖然在實(shí)驗(yàn)室條件下已接近于成功,但要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用還差得遠(yuǎn)。按照目前技術(shù)水平,要建立托卡馬克型核聚變裝置,需要幾千億美元。

  另一種實(shí)現(xiàn)核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體,裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸發(fā),受它的反作用,球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓(反作用力是一種慣性力,靠它使氣體約束,所以稱(chēng)為慣性約束),就像噴氣飛機(jī)氣體往后噴而推動(dòng)飛機(jī)前飛一樣,小球內(nèi)氣體受擠壓而壓力升高,并伴隨著溫度的急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度(大概需要幾十億度)時(shí),小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸,并產(chǎn)生大量熱能。這種爆炸過(guò)程時(shí)間很短,只有幾個(gè)皮秒(1皮等于1萬(wàn)億分之一)。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且連續(xù)不斷地進(jìn)行下去,所釋放出的能量就相當(dāng)于百萬(wàn)千瓦級(jí)的發(fā)電站。

  原理上雖然就這么簡(jiǎn)單,但是現(xiàn)有的激光束或粒子束所能達(dá)到的功率,離需要的還差幾十倍、甚至幾百倍,加上其他種種技術(shù)上的問(wèn)題,使慣性約束核聚變?nèi)允强赏豢杉暗摹?/p>

  盡管實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩內(nèi)杂新L(zhǎng)艱難的路程需要我們征服,但其美好前景的巨大誘惑力,正吸引著各國(guó)科學(xué)家在奮力攀登。

原理

  核聚變的原理是:在標(biāo)準(zhǔn)的地面溫度下,物質(zhì)的原子核彼此靠近的程度只能達(dá)到原子的電子殼層所允許的程度。因此,原子相互作用中只是電子殼層相互影響。帶有同性正電荷的原子核間的斥力阻止它們彼此接近,結(jié)果原子核沒(méi)能發(fā)生碰撞而不發(fā)生核反應(yīng)。要使參加聚變反應(yīng)的原子核必須具有足夠的動(dòng)能,才能克服這一斥力而彼此靠近。提高反應(yīng)物質(zhì)的溫度,就可增大原子核動(dòng)能。因此,聚變反應(yīng)對(duì)溫度極其敏感,在常溫下其反應(yīng)速度極小,只有在1400萬(wàn)到1億度的絕對(duì)溫度條件下,反應(yīng)速度才能大到足以實(shí)現(xiàn)自持聚變反應(yīng)。所以這種將物質(zhì)加熱至特高溫所發(fā)生的聚變反應(yīng)叫作熱核反應(yīng),由此做成的聚變武器也叫熱核武器。要得到如此高溫高壓,只能由裂變反應(yīng)提供。

  熱核材料:核聚變反應(yīng)一般只能在輕元素的原子核之間發(fā)生,如氫的同位素:氘和氚,它們?cè)雍碎g的靜電斥力最小,在相對(duì)較低的溫度(近千萬(wàn)攝氏度)即可激發(fā)明顯的聚變反應(yīng)生成氦,而且反應(yīng)釋放出的能量大,一千克聚變反應(yīng)裝藥放出的能量約為核裂變的七倍。但在熱核武器中不是使用在常溫下呈氣態(tài)的氘和氚。氘采用常溫下是固態(tài)化合物的氘化鋰,而氚則由核武器進(jìn)行聚變反應(yīng)過(guò)程中由中子轟擊鋰的同位素而產(chǎn)生。1942年,美國(guó)科學(xué)家在研制原子彈過(guò)程中,推斷原子彈爆炸提供的能量有可能點(diǎn)燃?xì)浜艘鹁圩儯⒁源酥圃焱Ρ仍訌椄蟮某?jí)彈。1952年1月,美國(guó)進(jìn)行了世界上首次代號(hào)“邁克”的氫彈原理試驗(yàn),爆炸威力超過(guò)1000萬(wàn)噸當(dāng)量,但該裝置以液態(tài)氘作熱核材料連同貯存容器和冷卻系統(tǒng)重約65噸,不能作為武器使用,直到固態(tài)氘化鋰作為熱核裝料的試驗(yàn)成功,氫彈的實(shí)際應(yīng)用才成為可能。中國(guó)于1966年12月28日成功進(jìn)行了氫彈原理試驗(yàn),1969年6月17日由飛機(jī)空投的300萬(wàn)噸級(jí)氫彈試驗(yàn)圓滿(mǎn)成功。

  工作原理

  核聚變反應(yīng)堆的燃料來(lái)源十分充足,輻射泄漏處于正常范圍之內(nèi),與目前的核裂變反應(yīng)堆相比,其放射性廢物更少。下面讓我們來(lái)了解這種前景廣闊的能源。

  與其他能源相比,核聚變反應(yīng)堆有幾項(xiàng)顯著的優(yōu)點(diǎn),因而一直備受媒體關(guān)注。它們的燃料來(lái)源十分充足,輻射泄漏處于正常范圍之內(nèi),與目前的核裂變反應(yīng)堆相比,其放射性廢物更少。

  迄今為止,還沒(méi)有人將這一技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐中,但建造這種反應(yīng)堆實(shí)際上已為期不遠(yuǎn)。目前,核聚變反應(yīng)堆正處于試驗(yàn)階段,美國(guó)以及世界其他地區(qū)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室都開(kāi)展了這項(xiàng)研究。

  美國(guó)、俄羅斯、歐洲和日本經(jīng)過(guò)協(xié)商,建議在法國(guó)卡達(dá)拉什建立一座名為國(guó)際熱核試驗(yàn)堆(ITER)的核聚變反應(yīng)堆,旨在研究通過(guò)持續(xù)核聚變反應(yīng)來(lái)發(fā)電的可行性。在本文中,我們將介紹關(guān)于核聚變的知識(shí),并了解ITER反應(yīng)堆的工作方式。

幾個(gè)概念

  同位素

  同位素是指質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相同,但中子數(shù)不同的同一類(lèi)元素的原子。下面是核聚變中一些常見(jiàn)的同位素:

  氕是帶一個(gè)質(zhì)子而沒(méi)有中子的氫同位素。它是氫的最常見(jiàn)的一種形式,也是宇宙中最普遍的元素。氘是帶一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的氫同位素。它不具有放射性,可從海水中提取。氚是帶一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子的氫同位素。氚具有放射性,半衰期約為10年。氚不會(huì)自然形成,但用中子轟擊鋰可產(chǎn)生氚。氦3是帶有兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的氫同位素。氦4是氦在自然界中最為普遍的一種形式,它帶有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子。

  目前的核反應(yīng)堆利用核裂變來(lái)產(chǎn)生能量。在核裂變中,能量是通過(guò)一個(gè)原子分裂為兩個(gè)原子來(lái)釋放的。在傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆中,鈾的重原子在高能中子的轟擊下發(fā)生裂變,這會(huì)生成巨大的能量,同時(shí)產(chǎn)生長(zhǎng)期的輻射和放射性廢物(詳見(jiàn)核能工作原理)。

  核聚變的能量是通過(guò)兩個(gè)原子合并為一個(gè)原子而產(chǎn)生的。在核聚變反應(yīng)堆中,氫原子發(fā)生聚變,進(jìn)而形成氦原子、中子,并釋放巨大的能量。氫彈和太陽(yáng)的能量就是靠這種反應(yīng)提供的。與核裂變相比,核聚變所產(chǎn)生的能量更加清潔、安全、高效,其能量來(lái)源也更為豐富。

  核聚變反應(yīng)分為多種類(lèi)型。其中大多數(shù)都涉及氫的同位素氘和氚:

  質(zhì)子

  質(zhì)子鏈--這一序列是太陽(yáng)等恒星中最主要的核聚變反應(yīng)模式。

  兩個(gè)中子形成兩個(gè)氘原子。

  每個(gè)氘原子與一個(gè)質(zhì)子結(jié)合,生成一個(gè)氦3原子。

  兩個(gè)氦3原子結(jié)合,生成不穩(wěn)定的鈹6。

  鈹6衰變?yōu)閮蓚€(gè)氦4原子。

  這些反應(yīng)會(huì)生成高能粒子(質(zhì)子、電子、中子、正電子),并放出輻射(光線、伽馬射線)。

  氘-氘反應(yīng)--兩個(gè)氘原子結(jié)合,生成一個(gè)氦3原子和一個(gè)中子。

  氘-氚反應(yīng)--一個(gè)氘原子和一個(gè)氚原子結(jié)合,生成一個(gè)氦4原子和一個(gè)中子。其中大部分能量以高能中子的形式的釋放。

  從概念上講,利用反應(yīng)堆中的核聚變十分容易。但為了讓這一反應(yīng)以可控、無(wú)害的方式進(jìn)行,科學(xué)家們歷經(jīng)周折。為了了解其中的緣由,我們需要先看一下發(fā)生核聚變的必要條件。

  當(dāng)氫原子聚合時(shí),它們的原子核必須結(jié)合在一起。然而,由于每個(gè)原子核中的質(zhì)子都帶有相同的電荷(正電),因而會(huì)互相排斥。如果你曾試著將兩塊磁鐵放在一起并感到它們互相推開(kāi),則意味著你已親身體驗(yàn)了這一原理。

  若要實(shí)現(xiàn)核聚變,你需要?jiǎng)?chuàng)造一些特殊的條件來(lái)克服這種排斥力。下面是發(fā)生核聚變的一些必要條件:

  高溫--高溫可為氫原子提供足夠的能量,以克服質(zhì)子之間的電荷排斥。

  核聚變需要的溫度約為1億開(kāi)(約是太陽(yáng)核心溫度的六倍)。

  在這樣的高溫下,氫的狀態(tài)為等離子體,而不是氣體。等離子體是物質(zhì)的一種高能狀態(tài),其中所有電子都從原子中剝離出來(lái),并可以自由移動(dòng)。

  太陽(yáng)的高溫是由重力壓縮核心的巨大質(zhì)量而產(chǎn)生的。我們要制造出這樣的高溫,就必須利用微波、激光和離子粒子的能量。

  高壓--壓力可將氫原子擠在一起。氫原子之間的距離必須在1x10-15米以?xún)?nèi),才能進(jìn)行聚合。

  太陽(yáng)利用其質(zhì)量和重力將核心內(nèi)的氫原子擠壓在一起。

  我們要將氫原子擠壓在一起,必須使用強(qiáng)大的磁場(chǎng)、激光或離子束。

  借助目前的技術(shù),我們只能實(shí)現(xiàn)發(fā)生氘-氚聚變所需的溫度和壓力。氘-氘聚變需要的溫度更高,這種溫度有可能在將來(lái)實(shí)現(xiàn)?;旧希秒圩儠?huì)更加方便,因?yàn)閺暮K刑崛‰葟匿囍刑崛‰耙尤菀住A硗?,氘不具有放射性,而且氘氘反?yīng)可釋放更多的能量。

  有兩種方法可實(shí)現(xiàn)發(fā)生氫聚變所需的溫度和壓力:磁約束使用磁場(chǎng)和電場(chǎng)來(lái)加熱并擠壓氫等離子體。法國(guó)的ITER項(xiàng)目使用的就是這種方法。
  慣性約束使用激光束或離子束來(lái)擠壓并加熱氫等離子體。在美國(guó)勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施中,科學(xué)家們正在對(duì)這種試驗(yàn)方法展開(kāi)研究。

  反應(yīng)堆

  ITERTokamak反應(yīng)堆

  我們首先探討磁約束。下面是它的工作原理:

  加速器釋放出微波、帶電粒子束和中性粒子束,用于加熱氫氣的氣流。在高溫下,氫氣從氣態(tài)變?yōu)榈入x子聚變反應(yīng)體。這種等離子體受到超導(dǎo)磁體的擠壓,進(jìn)而發(fā)生聚變。在用磁場(chǎng)約束等離子體時(shí),最有效的磁體形狀是面包圈形(即環(huán)形)。

  采用這種形狀的反應(yīng)堆稱(chēng)為T(mén)okamak。ITERTokamak將是一個(gè)獨(dú)立式反應(yīng)堆,其部件都裝在不同的盒子中。進(jìn)行維護(hù)時(shí),工作人員可以方便地插入和拔出這些盒子,而不必拆開(kāi)整個(gè)反應(yīng)堆。該Tokamak的等離子體環(huán)形室將采用2米的內(nèi)半徑和6.2米的外半徑。

  下面我們來(lái)詳細(xì)考察ITER核聚變反應(yīng)堆,看看磁約束是如何起作用的。

  組件

  ITERTokamak反應(yīng)堆的主要組件包括:

  真空室--用于盛放等離子體,并將反應(yīng)室置于真空中
  中性束注入器(離子回旋系統(tǒng))--將加速器釋放的粒子束注入等離子體中,以便將等離子體加熱到臨界溫度
  磁場(chǎng)線圈(極向環(huán)形)--用磁場(chǎng)來(lái)約束、定型和抑制等離子體的超導(dǎo)磁體
  變壓器/中央螺線管--為磁場(chǎng)線圈供電
  冷卻設(shè)備(冷凍機(jī)、低溫泵)--用于冷卻磁體
  包層模塊--由鋰制成,用于吸收核聚變反應(yīng)中的熱量和高能中子
  收集器--排出核聚變反應(yīng)中的氦產(chǎn)品
  作用機(jī)制
  下面是磁約束核聚變過(guò)程的作用機(jī)制:
  核聚變反應(yīng)堆加熱氘和氚燃料的氣流,使之形成高溫的等離子體。接下來(lái),反應(yīng)堆對(duì)等離子體施加壓力,繼而發(fā)生聚變。
  啟動(dòng)核聚變反應(yīng)所需的電能約為70兆瓦特,但該反應(yīng)生成的電能約為500兆瓦特。
  核聚變反應(yīng)將持續(xù)300到500秒(最終將形成持續(xù)的核聚變反應(yīng))。
  等離子體反應(yīng)室外部的鋰包層將吸收核聚變反應(yīng)中釋放的高能中子,從而產(chǎn)生更多的氚燃料。在高能中子的作用下,這些包層也會(huì)被加熱。
  水冷回路將熱量轉(zhuǎn)移至熱交換器,最終形成蒸氣。
  蒸氣將被重新壓縮成水,以便讓熱交換器吸收反應(yīng)堆中的更多熱量。
  起初,ITERTokamak將測(cè)試建造持續(xù)核聚變反應(yīng)堆的可行性,最終將變?yōu)橐蛔鶞y(cè)試核聚變發(fā)電廠。

  在勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施(NIF)中,科學(xué)家們正在試驗(yàn)用激光束來(lái)誘發(fā)聚變。在NIF設(shè)備中,192條激光束將聚焦于一個(gè)直徑為10米的靶室上的一點(diǎn),這個(gè)靶室稱(chēng)為黑體輻射空腔。根據(jù)科學(xué)和工程百科全書(shū),黑體輻射空腔是指“腔壁與腔內(nèi)的輻射能量達(dá)到平衡的腔”。

  在靶室內(nèi)部的焦點(diǎn)上,將有一個(gè)豌豆大小的氘-氚粒狀物,其外側(cè)包有一個(gè)小型塑料圓筒。激光的能量(180萬(wàn)焦)將加熱圓筒,并生成X射線。在高溫和輻射的作用下,粒狀物將轉(zhuǎn)化為等離子體,且壓力不斷升高,直至發(fā)生聚變。核聚變反應(yīng)壽命很短,大約只有百萬(wàn)分之一秒,但它釋放的能量是引發(fā)核聚變所需能量的50到100倍。在這種類(lèi)型的反應(yīng)堆中,需要相繼點(diǎn)燃多個(gè)目標(biāo),才能產(chǎn)生持續(xù)的熱量。據(jù)科學(xué)家估計(jì),每個(gè)目標(biāo)的成本可控制在0.25美元左右,從而大大降低了核電廠的成本與磁約束核聚變反應(yīng)堆類(lèi)似,慣性約束核聚變中的能量也將被轉(zhuǎn)移至熱交換器生成蒸氣,進(jìn)而通過(guò)蒸氣來(lái)發(fā)電。

  目前,NASA正在研制一種小型的核聚變反應(yīng)堆,用于為深空火箭提供動(dòng)力。核聚變推進(jìn)器具有無(wú)限的燃料供應(yīng)(氫),其效率更高,可令火箭飛得更快。
 


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