在現(xiàn)有的科學框架內(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，同時具有清潔、安全、環(huán)保的優(yōu)點，對人類社會的影響不亞于又一場工業(yè)革命。
——李正宏 中國工程物理研究院核物理與化學研究所研究員
核能核電系列報道①
◎李 迪 陳 科
3月13日，中國自主三代核電技術“華龍一號”福清6號機組應急柴油發(fā)電機組啟動成功;此前，“華龍一號”全球首堆中核集團福清核電5號機組正式投入商業(yè)運行，這標志著我國打破了國外核電技術壟斷，正式進入核電技術先進國家行列。
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難關?對此，科技日報記者采訪了相關專家。
核電與核武器“師出同源”
提起核能，很多人的第一反應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的引發(fā)較為容易，只需要達到臨界質(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，核聚變反應需要極高的溫度、壓力才能引發(fā)。熱核武器的技術難度遠大于核裂變武器，威力也相當驚人，蘇聯(lián)設計的大伊萬氫彈的核爆當量達到了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?
作為一種特殊的武器裝備，核武器的反應原理不會像一顆子彈那么簡單。中物院核物理與化學研究所黃洪文研究員介紹，在核裂變反應中，重核原子(如鈾-235)經(jīng)中子撞擊后，裂變成為兩個較輕的原子，同時釋放出數(shù)個中子。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，使得裂變反應持續(xù)進行。
而在裂變反應中，通過吸收多余中子，維持中子數(shù)量平衡，裂變反應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，“華龍一號”即為其代表。
黃洪文指出，與裂變反應不同的是，在聚變反應中，兩個較輕的原子核直接碰撞、結合，形成一個較重的核(可能伴隨形成一個極輕的核)。聚變反應的維持非常困難。
李正宏進一步解釋，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的多個條件?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?shù)乜刂频入x子體的溫度、密度和封閉時間(維持時間)。
“這三項條件缺一不可，這其中等離子體的溫度需達到約1億攝氏度。這種高溫等離子的產(chǎn)生、維持以及與之相關的一系列工程問題也是目前可控核聚變實現(xiàn)的主要難點。”李正宏說。
困難與收益成正比
通過控制反應速度，令人聞之色變的核能可以搖身一變，成為具有廣闊應用前景的新能源，服務于生活。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、風能、地熱能、水能等受地域限制極為明顯的能源的重要補充，顯示出強大的生命力。通過核裂變反應進行的新型第三代、第四代核電站在安全性、經(jīng)濟性等諸多方面取得了長足進步。在核裂變發(fā)電已經(jīng)取得良好應用成果的前提下，發(fā)展可控核聚變技術更是顯得困難重重，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堆無法相比的，只要不維持對等離子體的約束，聚變反應便會自動停止;核聚變產(chǎn)生的核廢料半衰期極短，因而核泄漏時總危害很低，其廠外只需將一公里內(nèi)的居民應急撤離，事故后短時間內(nèi)環(huán)境即可恢復正常。
“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。
相關專家表示，關于可控核聚變的研究爭議有幾個方面。有人認為其研制周期長、耗資巨大，因此在石化能源充沛，太陽能、風能等新能源發(fā)展迅猛的當代難以產(chǎn)生經(jīng)濟效益。
目前在建的最大的實驗型聚變裝置為法國南部的國際熱核聚變反應堆(ITER)。其項目的工程設計開始于1992年，隨后受設計變更、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)了很多對可控核聚變的爭議。
“我國對可控核聚變的研究始于上世紀50年代，老一輩核物理學家倡導開展‘可控熱核反應’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，取得跨越式發(fā)展，部分方向已經(jīng)實現(xiàn)國際引領。
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，帶電粒子會沿著磁場線螺旋運動，從而避免直接與外部的容器壁接觸，被磁場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。
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到極高的溫度和壓力，引發(fā)核聚變反應。與持續(xù)穩(wěn)定運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行。
Z箍縮驅(qū)動的慣性約束聚變與激光約束聚變在聚變過程上有相似之處，不同之處在于，Z箍縮是利用沿軸向(也就是Z軸方向)的強大電流產(chǎn)生的自箍縮效應，對氘氚燃料球加熱、加壓，Z箍縮驅(qū)動的慣性約束聚變同樣以脈沖的形式運行。
大多數(shù)人都知道，常見的核聚變反應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原料氘，但是氚的獲取難度卻相當高?
李正宏進一步解釋道，氘是氫的穩(wěn)定同位素，包含1個質(zhì)子和一個中子，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個質(zhì)子和2個中子，會自發(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，聚變發(fā)電所需的氚只能通過核反應人工合成，最簡單的方式是利用鋰與中子反應生成氚，氘吸收中子也能生成氚。
“在現(xiàn)有的科學框架內(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，同時具有清潔、安全、環(huán)保的優(yōu)點，對人類社會的影響不亞于又一場工業(yè)革命。”李正宏表示。
