眾所周知, 核能主要有裂變能和聚變能兩種。裂變能是重元素(如鈾、钚、釷等)的原子核在分裂成質(zhì)量較輕的原子核過(guò)程中所釋放的能量。人類已經(jīng)掌握了可以控制這個(gè)分裂過(guò)程的技術(shù), 因此目前世界上所有核電站都是利用可控裂變過(guò)程產(chǎn)生的裂變能進(jìn)行發(fā)電的。 其優(yōu)點(diǎn)是少量原料就可產(chǎn)生巨大的電能、環(huán)境污染少且不存在對(duì)石化燃料的依賴。缺點(diǎn)是總是存在發(fā)生核事故的風(fēng)險(xiǎn), 所產(chǎn)生的核廢料有放射性, 處置不當(dāng)對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染; 同時(shí)鈾、钚等資源有限。 目前全球已建成以原子核裂變能量發(fā)電的核電站達(dá)到400多座, 核電發(fā)電量已占電力總發(fā)電量的近20%, 同時(shí), 許多核電廠仍正在或計(jì)劃建設(shè)中。核聚變是指由質(zhì)量小的原子核, 主要是指氘(D)、氚(T)和氦-3(3He)等, 在一定條件下(如超高溫和高壓)發(fā)生原子核相互聚合作用, 生成新的質(zhì)量更重的原子核, 并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。
相比核裂變, 核聚變有兩大優(yōu)點(diǎn): (1) 不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)壽命和高放射性的核廢料, 也不產(chǎn)生溫室氣體, 因此基本不污染環(huán)境; (2) 地球上蘊(yùn)藏的核聚變能遠(yuǎn)比核裂變能豐富得多。據(jù)估算, 每升海水中含有0.03 g氘, 所以地球上僅在海水中就有45萬(wàn)億噸氘。1 L海水中所含的氘, 經(jīng)過(guò)核聚變可提供相當(dāng)于300 L汽油燃燒后釋放出的能量。按目前世界能量的消耗率估計(jì), 地球上蘊(yùn)藏的核聚變能可用100億年以上。因此從原理上講, 聚變能可以成為人類取之不盡、用之不竭的能源。
圖1“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆”（ITER）計(jì)劃（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
目前人類還沒有掌握控制聚變過(guò)程的技術(shù), 為此世界發(fā)達(dá)國(guó)家不斷投入大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行核聚變能研究和開發(fā)。 然而, 可控核聚變的實(shí)現(xiàn)在工程上是非常困難的事情。 可控聚變反應(yīng)和可控裂變反應(yīng)的研究都是從20世紀(jì)50年代初開始的, 時(shí)至今日, 核裂變反應(yīng)堆或發(fā)電廠早已普及, 而可控核聚變的和平利用卻無(wú)一實(shí)現(xiàn)。由歐盟、中國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)、俄羅斯和印度7方共同參與的, 為期30年, 耗資100億歐元的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(international thermonuclear experimental reactor, ITER，圖1)計(jì)劃, 至今尚未取得獲取聚變能的實(shí)質(zhì)性成果。
圖2顯示的是幾個(gè)聚變反應(yīng)的反應(yīng)幾率(以截面為單位)隨入射粒子能量(以千電子伏特為單位)的關(guān)系?？梢钥闯? 氘-氚聚變是最容易實(shí)現(xiàn)的, 也是以目前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)最現(xiàn)實(shí)的選擇。即便這樣, 要實(shí)現(xiàn)聚變過(guò)程, 也需要把氘-氚混合氣體(等離子體)的溫度加熱到上億度, 并維持一定的等離子體密度足夠的時(shí)間。但要維持這樣高的溫度, 靠普通的容器約束是無(wú)法進(jìn)行的, 因此必須采用新方法。幾十年來(lái)對(duì)核聚變的研究, 主要沿著磁約束和慣性約束兩大途徑進(jìn)行。
磁約束是利用強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)高溫等離子體進(jìn)行約束,通過(guò)構(gòu)造特殊的磁容器, 將聚變材料加熱至數(shù)億攝氏度并維持一定的等離子體密度, 實(shí)現(xiàn)聚變。這一技術(shù)方向的聚變能研究已經(jīng)取得了重大進(jìn)展, 其中以托克馬克類型的磁約束研究為典型代表, 達(dá)到了建立像ITER這樣的實(shí)驗(yàn)堆的階段。
慣性約束與磁約束不同。慣性約束實(shí)際上對(duì)等離子體不加約束, 而是利用粒子的慣性, 在它們來(lái)不及散開之前就發(fā)生聚變反應(yīng), 以取得足夠的能量。國(guó)際上包括美國(guó)、法國(guó)、中國(guó)等在內(nèi)的國(guó)家都在這方面開展了許多工作。但是美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置(National Ignition Facility, NIF)目前沒有達(dá)到預(yù)期的點(diǎn)火目標(biāo), 一定程度上影響了人們對(duì)這一途徑的信心, 而離建造能夠發(fā)電的電廠則有更遙遠(yuǎn)的路要走。
圖2 常見的幾個(gè)聚變反應(yīng)截面
以目前人類的技術(shù)水平, 只能實(shí)現(xiàn)基于氘-氚聚變的第一代聚變堆建設(shè)。雖然地球上的氘資源是“無(wú)限”的, 但是卻沒有氚資源, 因此氚是靠中子與鋰-6(6Li)反應(yīng)生產(chǎn)出來(lái)的, 這就涉及了鋰資源的問題。 此外, 產(chǎn)氚需要中子, 為了使聚變能夠持續(xù)進(jìn)行, 需要聚變堆在運(yùn)行的同時(shí), 不斷地生產(chǎn)足夠的氚, 用于補(bǔ)充反應(yīng)掉的氚, 即需要一整套復(fù)雜的氚產(chǎn)生及在線處理系統(tǒng)。這不僅要求充分利用氘-氚反應(yīng)產(chǎn)生的中子, 還需要對(duì)中子進(jìn)行增殖,以保證有足夠的氚增殖系數(shù)。因此, 聚變堆需要用到大量的中子增殖材料, 如鈹、鉛等, 但是這些資源并不是無(wú)限的。Bradshaw等人曾對(duì)這些因素進(jìn)行過(guò)研究, 他們假設(shè)到2050年, 人類的用電量比2007年翻一番, 其中聚變堆發(fā)電量占30%, 則需要2760個(gè)1 GWe的聚變電站。這樣每年需消耗806 t的鋰-6, 初始裝料至少需要9940 t, 已知的現(xiàn)有鋰資源可維持3540年。 對(duì)于鈹?shù)挠昧? 每年消耗524 t, 初始裝料需331000 t, 而目前已知的鈹儲(chǔ)量只有約80000 t, 即現(xiàn)有的鈹儲(chǔ)量已經(jīng)不夠這么多電站的初始裝料。如果用鉛作為中子增殖劑, 則情況會(huì)好很多, 每年消耗約8560 t, 初始裝料為11.3 Mt, 目前的儲(chǔ)量可以維持175000年。以上這些資源的估算只考慮聚變電站的使用, 沒有考慮這些資源別的用途, 也沒有考慮這些資源開采的難度和成本。
聚變能要成為人類可大規(guī)模利用的能源, 除了技術(shù)可行性和安全性之外, 還需要把成本控制得足夠低才有競(jìng)爭(zhēng)力。 因此核聚變是否能成為人類能源需求的終極供應(yīng)者, 目前似乎還無(wú)法給出肯定的答案。ITER自2010年開始建造以來(lái), 由于各種技術(shù)、合同及資金問題, 該項(xiàng)目的進(jìn)展一再推遲。現(xiàn)在ITER組織希望在2020年開始實(shí)驗(yàn), 2027年開始注入氘和氚燃料, 而氘和氚燃料的實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行約10年之久, 之后才有可能進(jìn)行示范堆及商業(yè)堆的建造。因此人類掌握核聚變之路依然漫長(zhǎng)。
值得關(guān)注的是, Science于2015年8月24日?qǐng)?bào)道了位于美國(guó)加州的聚變能研究公司Tri Alpha最近取得了可控聚變的新突破,有望在ITER采用的大型托克馬克裝置之外為可控核聚變能利用找到更為經(jīng)濟(jì)的技術(shù)路線。 他們使用的聚變?nèi)剂鲜菤?硼等離子體, 達(dá)到聚變的溫度需要30億攝氏度, 這意味著更加困難的技術(shù)挑戰(zhàn)。之所以選擇氫-硼作為聚變?nèi)剂鲜且驗(yàn)槠渚圩兎磻?yīng)中不會(huì)釋放中子, 而只產(chǎn)生3個(gè)α粒子, 更適用于聚變能的商業(yè)利用, 這也是公司命名為Tri Alpha的原因。雖然很多人對(duì)這一成果質(zhì)疑, 但依然獲得了美國(guó)學(xué)術(shù)界及企業(yè)界的廣泛關(guān)注。
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