核聚变本世纪将迎来“巨变”?
2017-2-7 16:37:00 阅读量(8315)

落户法国的国际热核实验反应堆(ITER)全景

2016年12月12日,我国自主研制的热核聚变核心部件,率先通过了国际权威机构认证,为国际热核聚变项目立了一大功,并成为新华社权威媒体评选的2016年度十大能源新闻之一。同时,我国可控核聚变试验也制造出了比太阳中心温度还要高的氢等离子体,并且稳定燃烧了一分多钟,创了世界纪录。从人类走进核能大门以来,可控核聚变一直被很多科学家视为能源界一项登峰造极的“神功大法”。这门“武功”究竟有多厉害?目前人类修炼了几成?且听笔者一一道来。



核聚变:能源界的绝世武学


1932年,英国物理学家詹姆斯·查德威克开启了原子核的大门,人类开始逐渐认识到原子惊世骇俗的“内功”,并想方设法把它据为己用。原子核的这股巨力可以通过两种方式来释放,一种是铀、钚等重原子核分裂成几个轻原子核的裂变反应,另一种是几个轻原子核聚合成一个重原子核的聚变反应。1945年,美国送给日本的“小男孩”和“胖子”,让世人领教了核裂变惊世骇俗的爆发力和绵延许久的余威。此后,英、法、中等国也不甘示弱,陆续用原子弹试爆宣示自己也掌握了这门武功。

然而这些国家也发现,如此神功只用来打杀未免有点儿low(低端),而且没什么前(钱)途。于是,各国纷纷走上了和平利用核能之路。1954年6月27日,前苏联建成了世界上第一座基于裂变原理的核电站,率先实现了可控核裂变,成功把刚烈“炸药”变成了温和“燃料”。60多年后的今天,全球已经有400多台核裂变反应堆在商用电网系统服役,每年为全球贡献10%左右的电力。

同核裂变一样,核聚变在世界舞台上的第一次亮相也是伴随着强光和巨响:1952年,美国人率先搞出了以氢元素的同位素三兄弟氕(piē)氘(dāo)氚(chuān)中的氘和氚为原料的氢弹,威力比核裂变又高出好几层楼,迈出了人类修炼聚变神功的第一步。之所以称为“神功”,是因为核聚变一旦像裂变一样实现商用发电,将是颠覆世界的革命性成功,人类在能源利用上很可能再也不用精打细算了。它有这么几大好处。


不产生放射性废物


好处一:高能。论核武器的威力,以铀、钚等重元素为原料的裂变弹,通常为几百至几万吨级TNT炸药当量,而聚变弹则可大至几千万吨级TNT当量;论能量密度,当今裂变原理核电站主流堆型——轻水式反应堆所用的浓缩铀(铀-235含量为3.5%),每公斤所含的能量为345.6万兆焦(1兆焦=1000千焦=100万焦),相当于标准煤的118倍,而氢元素聚变反应的能量密度甩下浓缩铀几百条街,高达每公斤9.45亿兆焦,相当于只用不到4克氢的聚变,就能达到1公斤浓缩铀裂变放出的能量。

好处二:清洁。核裂变所用的铀-235,反应后会分裂成碘-131、铯-137、锶-90、氙-133、氪-88等核素,这些裂变产物仍然具有放射性,不能随便乱扔,人们因此为它们准备了周密的防护和处理制度(详见《环境与生活》杂志《处理好的核废物辐射小于X光》《中国核燃料循环执行“闭计划”》等文),来保障人员和环境不受电离辐射所伤。而聚变采用的氢元素三兄弟都是自然界最小的原子,唯一的聚变产物是第二小的原子氦。虽然反应过程中伴随能量输出而带来中子辐射,但聚变产物氦是完全没有放射性和其他毒性的稳定核素,自身安全性很高,没有必须深埋上万年的高放射性废物。此外,氦的化学性质非常慵懒,正常环境下不和任何物质起反应,只会以无色无味的气体形式存在。平时看到那些往上飘的气球,就是用氦气充的。

好处三:原料多。修炼聚变神功所需要的主材料氘,储量只有氢的1/7000,换算到每一升海水中约含有30毫克氘。比例虽小,但总量惊人。海水中所含的氘达45万亿吨,足够人类使用上百亿年。而且,一升海水所含的氘聚变后就可产生相当于300升汽油的热能。用一句话来形容就是廉价、丰富、好提取。至少到目前,氘都被看作取之不尽用之不竭的原料。


先定个小目标:烧出一亿度高温


核聚变好处这般多,但是为啥在核裂变发电已经被人们玩得很溜的今天,无数“攻城狮”花了五六十年的心血,还是没让核聚变实现可控发电?原因是反应条件太0苛刻了。

由于重原子核先天就有不稳定的特点,裂变反应比较容易发生。但要让轻的原子核聚合成重核,情况就完全相反了。原子核都带正电,互相的排斥力非常巨大,正如将磁铁相斥的两极拼在一起那么费劲。要想聚合,必须让它们飞快地动起来,并且能两两正撞,这样就能使原子核在碰撞瞬间的动力大于它们之间的斥力,从而发生聚合。条件就是极高的温度。在这种状态下,原子的外层电子和原子核分离,并且可以分别自由运动,形成等离子体。

宇宙中有一群天然的巨型核聚变反应堆,那就是太阳这样的恒星。在太阳中心,1500万摄氏度的高温和2000亿个标准大气压的高压下,氢聚变成氦。这样的反应已经进行了46亿年,向外发出了巨大的能量。其中仅有十亿分之一左右的能量落到了地球上,就滋养了地球。

在地球上发生核聚变是十分困难的。由于形成不了太阳那么“变态”的大气压,因此只能通过更高的温度来弥补。在普通人工所能建造的反应器规模下,氘-氚聚变反应的临界点火温度为几千万到一亿摄氏度,氘-氘反应的临界点火温度更是一亿至数亿摄氏度,是太阳中心温度的好几倍。

因此,要获得这股聚变能量,必须要先输给原料一股巨大的能量。氢弹正是先用一个裂变弹爆炸后产生的上亿摄氏度高温,而引发了核聚变。正常的发电显然不能是炸出来的,而现有的任何耐火材料都扛不住4万摄氏度以上的高温。这下麻烦来了:怎么将核聚变的原料加热到这么高的温度?即使达到了这么高温的原料,又用什么办法来约束它们不跑掉?按现有的科学分析,这样的解决方案有3种。



磁约束聚变最有望发电


一是重力约束。这里说的就是太阳。在其巨大的质量和体积下,即便没有特别变态的高温(太阳有一千多万摄氏度),也能靠引力来确保聚变粒子的密度和约束时间,从而实现连续而稳定地释放聚变能。可惜,这种方案也只有太阳这么大块头才能办到,在地球上是实现不了的。

二是惯性约束。基本原理是用极高功率的激光或其他高能粒子束,轰击装有聚变原料氘和氚的小球。这些激光的功率可达5亿兆瓦(1兆瓦=1000千瓦),相当于美国所有电站峰值功率的500倍,使小球在纳秒量级的时间内被加热到几亿摄氏度。因为惯性作用,里面的粒子还来不及飞散出去就已经发生了聚变反应,也叫“靶丸聚变”。这方面最前沿的进展就是美国的国家点火装置(NIF)和中国的神光系列装置。美国对这种聚变装置的期望是:当聚变输出的能量超过为引发反应而输入能量的10~100倍,就值得实行了。这种方案最大的不足是,每次核聚变反应的持续时间只有一瞬,能量的输出不连续,打一发(激光)就要装一次弹药(小球)。虽说瞬间功率大、能量收益率高,但总的能量输出却很少。要想作为能源,NIF的激光发射频率需要达到每秒10次,而目前的水平是不到5小时才发射一次。

三是磁约束。顾名思义,就是用磁场来充当约束等离子体的虚拟容器。由于磁场不是实体,所以不存在耐热耐压的问题。为了管好等离子态的聚变原料,基于这套方案设计的装置千奇百怪,其中最流行的一种叫做托卡马克的装置。


商业化聚变能或在本世纪实现 


“托卡马克”这个词,是由俄语“环形、真空室、磁、线圈”的词头组成,说白了就是个很像游泳圈的环形磁容器装置。装置的中央是一个环形真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候,托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场,以上千万安培的大电流将其中的等离子体加热到极高的温度,以达到核聚变的条件。相比惯性约束,托卡马克装置可以连续输出能量,符合发电对细水长流的要求,并且目前也能做到能量的产出大于投入。

过去,托卡马克用铜做的线圈来产生磁场。由于磁场必须强大,相应地就需要极大的电流。这样,线圈因为存在电阻而产生大量的热,不仅是一种浪费,还可能将材料、设备烧毁。后来,人们又改用超导材料(几乎零电阻)制作线圈,解决了电阻消耗能量过大和散热问题。2016年11月2日,中国科学院合肥物质科学研究院的托卡马克装置EAST(“实验性先进超导托卡马克”的缩写),获得了超过60秒的稳态高约束模等离子体放电,成为世界首个持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。

托卡马克装置还有一个国际合作的大项目——国际热核实验反应堆(ITER),是20世纪80年代中期,由美、法等国发起的,希望借助多方力量,利用具有电站规模的实验堆证明氘氚等离子体的受控点火和持续燃烧,验证聚变反应堆系统的工程可行性,并实现稳态运行。这个团队由包括中国在内的30多个国家的科研人员组成,是目前世界上最大的科学合作工程。

经过一番唇枪舌剑和政治博弈,ITER场址最终落户核电占比最大的法国,2008年进入实地建造阶段。它占地180公顷,共由39栋建筑组成,实验堆主体直径28米,高30米,聚变功率达50万千瓦,相当于中型核裂变反应堆的水平。国际核聚变界对ITER计划及其后聚变能源发展比较普遍的看法是,建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备,再经过示范堆、商业聚变核电站(商用堆)两个阶段,聚变能商业化将在本世纪中叶或者稍晚实现。


可控核聚变

“永远的30年”魔咒


不过,计划赶不上变化的情况太普遍了。托卡马克装置现阶段的聚变功力,仍然只是入门水平,还有很多重要的“经脉”“穴道”没有打通。线圈所用的超导材料,造价极高不说,还必须得在接近绝对零度的超低温下才能保持超导性,为此就需要一套相当精密的制冷系统,相当于“房间内是上亿摄氏度,而墙壁只有零下270摄氏度”的场景。等离子体稳态运行方面进步虽快,但区区几分钟的持续输出时间,远远不足以用来发电。至于“自持”这个更高境界,即反应堆不需要长时间注入大量能量就可以维持聚变反应这一块,各国都没多大进展,所以整体上还停留在要算计产出的能量能否回本的阶段。

此外,对于ITER这样一个具有划时代意义的国际大工程,参与国家众多也是把双刃剑,既能聚全球精锐之师,也时有出于利益、投资等问题的扯皮和延期的事件发生,带来了技术攻坚之外的变数。按当前计划,ITER装置预计2019年基本建成,2027年开展氘-氚聚变实验,这比此前计划的建成时间推迟了4年。

在重重难题之下,可控核聚变的研究有个“永远在30年后”的笑话,说的是核聚变每一项技术突破,几乎都伴随着“30年后实现聚变发电商用化”的美好预言,却从来没有应验过。由于投入巨大,回报又没谱,加上裂变能的利用越来越成熟,许多资本都转向了其他看得见成就和收益的科研领域。但对核聚变持积极态度的科学家认为,核聚变这棵科技树的果子格外好吃,种植难度大也在情理之中,花多长时间结出果子都是值得的。而一旦成功,对能源领域甚至整个人类文明,都将是脱胎换骨的巨大提升。   (季纾纬对本文亦有贡献)


国际热核实验反应堆(ITER)项目参与方资金投入


氘-氚核聚变反应示意图

托卡马克(Tokamak)磁约束核聚变装置内部全貌

一位技师进入核聚变反应器内部检查等离子体(即聚变燃料)加热系统

院合肥物质科学研究院的先进超导托卡马克核聚变实验装置(EAST),是世界首个能量输出持续时间达到分钟量级的托卡马克装置。

美国国家点火装置(NIF)的激光靶室,192束高功率激光能把聚变燃料在几纳秒的时间内加热到上亿摄氏度,从而引发核聚变反应。

国际热核实验反应堆(ITER)项目参与方资金投入

氘-氚核聚变反应示意图

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