安全無輻射的核聚變技術來了?
2020年03月10日09:39

  來源:返樸 ID:fanpu2019

  林泉 /文

  近日,澳州HB11能源公司表示,他們在不需要超高溫,也不產生放射性核廢料的情況下,使得氫硼核聚變的反應速率比預期水平高出10億倍。那麼,安全無輻射的核聚變技術真的來臨了嗎?

  近日,澳州HB11能源公司表示(HB11是Hydrogen- Boron 11,即氫和硼-11的縮寫),他們在不需要超高溫,也不產生放射性核廢料的情況下,正朝著核聚變能的產生的方向推進。

  HB11能源公司脫胎於澳州的新南威爾士大學,他們宣佈,已經通過日本、中國和美國獲得了一系列專利,以保護其獨特的聚變能源生產方法。該公司的負責人表示,他們規避了半個多世紀以來一直困擾阻礙核聚變能源發展的所有科學挑戰,使得氫硼聚變的反應速率比預期水平高出10億倍。[1]

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  無中子聚變

  核聚變是理論上清潔、安全的人類能源需求解決方案,人們對此期待已久。太陽之所以能夠產生巨大的能量,並持續為地球上的生命提供能源,依靠的正是在其自身引力束縛下的高溫高密度中心的熱核聚變。

  我們通常熟悉的威力巨大的原子彈,以及世界各地運行的大量核電站,利用的都是原子核裂變這一物理現象。核裂變是通過中子轟擊重的原子核(例如通常用到的鈾的一種同位素鈾-235),使之分裂成若干質量較小的其它原子核,從而釋放出巨大的能量。核聚變的過程則是讓質量較輕的原子核,比如氫的同位素氘(由一個質子加一個中子組成)和氚(由一個質子加兩個中子組成),在持續極端的高溫高壓條件下結合:

  相比於強大卻有可能在意外事故中造成驚人破壞的核裂變過程,核聚變不僅很有可能可以提供可靠、安全、低成本的綠色能源,而且不甚可能會引發核反應堆熔燬,從而導致放射性物質外泄的事故。

  然而,通常比較容易啟動的核聚變反應,如上面的氘氚(D-T)聚變過程,往往會產生大量中子,這些不帶電荷的中子會帶走聚變過程中釋放的大部分能量,並且會因為穿透力很強的中子輻射而產生一系列相關問題。因此,人們同時也集中精力研究所謂的無中子聚變(Aneutronic fusion)。無中子聚變過程中釋放的能量絕大部分由帶電粒子(如α粒子、質子等)所攜帶,而不是通常電中性的中子。這樣不僅可以避免穿透力很強的中子輻射的問題,而且相比於電中性的粒子,帶電粒子更容易直接轉化為電能。不過相比於氘氚聚變,無中子聚變得以實現的條件要嚴苛得多。

幾種核反應截面較大的無中子聚變反應。無中子聚變反應的產物是α粒子(即氦核)和質子這樣的帶電粒子,而不是電中性的中子。[2]
幾種核反應截面較大的無中子聚變反應。無中子聚變反應的產物是α粒子(即氦核)和質子這樣的帶電粒子,而不是電中性的中子。[2]

  要啟動聚變反應,首先需要有足夠的能量來克服作為燃料的同樣帶正電荷的原子核之間的庫倫斥力,這個過程也被稱為“點火”。而要讓反應持續進行,則需要聚變反應的速率足夠高,能夠將溫度維持在高於點火溫度的水平。這裏的反應速率正比於核反應截面,即入射粒子和靶原子核之間發生反應的概率。

  相比於氘氚聚變,無中子反應中作為燃料的原子核通常原子序數更高,即攜帶的電荷量更大,因此它們之間的庫倫斥力也更強,兩個原子核極難接近,相應的點火溫度就更高。下面列出了幾種無中子聚變反應的點火溫度,可以發現,與氘氚聚變相比,幾種無中子聚變的點火溫度要高出數倍,而它們的反應截面卻要小得多。[2]

  在幾種主要的無中子聚變反應中,氦-3在地球上的自然含量非常少,以氘和鋰作為燃料的核聚變反應本身雖然不產生中子,但次級反應往往會產生一定量的中子,而對於氫硼聚變反應,只要能夠將氫原子核的能量控製在3 MeV以下,反應過程中就不會產生中子。[3]因此,氫硼聚變成了許多研究關注的焦點,HB11能源公司專注研發的正是這一反應機製的相關技術。

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  激光技術前沿發展帶來的突破

  目前一系列正在推進中的大項目,包括馬克斯·普朗克等離子體物理研究所建造的實驗性仿星器*受控核聚變裝置Wendelstein 7-X,使用托克馬克磁約束系統的國際(涉及35個國家)熱核聚變實驗堆(ITER)項目,大多是利用氘氚聚變機製,通常需要達到1500萬攝氏度這樣的高溫。我們知道,太陽表面的溫度也才只有大約5500攝氏度,只有在太陽的核心部分,溫度才能達到1500萬攝氏度。

  *仿星器:模擬恒星內部持續的熱核聚變反應的實驗裝置。

  面對如此極端的高溫條件,HB11能源公司試圖另闢蹊徑。一方面,他們徹底放棄使用像氚這樣稀少、具有放射性且難以處理的核燃料,轉而使用來源充沛的氫和硼-11元素;另一方面,他們利用一些最為先進又極為特殊和非常精準的激光技術來點燃核聚變反應,希望能夠避免對不可思議的高溫條件的依賴。

  氫硼核聚變實驗的裝置是一個幾近中空的金屬球,中心放置著一個HB11燃料球,在不同側為兩束激光留出了小孔。其中一束激光為等離子體建立約束磁場,另一束激光觸發“雪崩式”聚變鏈式反應。

實驗裝置是一個幾近中空的金屬球,中心放置著HB11燃料球,兩束激光同時從不同方向射向燃料球。| 圖片來源:hb11.energy
實驗裝置是一個幾近中空的金屬球,中心放置著HB11燃料球,兩束激光同時從不同方向射向燃料球。| 圖片來源:hb11.energy

  這裏用到的尖端激光技術依賴於獲得了2018年諾貝爾物理學獎的“啁啾脈衝放大”技術,這一技術可以產生飛秒(10-15 s)量級的激光脈衝,能極大地提高激光的功率。[4]通過在皮秒(10-12 s)的時間間隔內使用功率高達1016瓦的激光脈衝,等離子體燃料可以被加速到107 m/s,與此同時卻不會被加熱。[3]

  氫硼聚變反應會生成大量的α粒子,也就是裸露的氦核,反應產物中沒有電子。每個α粒子攜帶兩個單位的正電荷,這些粒子高速運動會產生巨大的電流,幾乎可以直接導入現有的電網,而不需要熱交換器或蒸汽渦輪機等。[5]

不同於煤或核裂變反應需要加熱水之類的液體產生蒸汽來驅動渦輪發電機,氫硼聚變產生的能量幾乎可以直接轉化為電能。| 圖片來源:hb11.energy
不同於煤或核裂變反應需要加熱水之類的液體產生蒸汽來驅動渦輪發電機,氫硼聚變產生的能量幾乎可以直接轉化為電能。| 圖片來源:hb11.energy

  Heinrich Hora教授40年來一直致力於這項研究,他說,功率達1016 瓦的激光脈衝是一項全新的技術,這項技術使得即使沒有百萬攝氏度的高溫,也可以創造出核聚變的條件。事實上,激光觸發的鏈式反應速率比通常預測的要高10億倍,甚至比氘氚聚變還高。這種雪崩式的鏈式反應是目標得以實現的關鍵步驟,它使得能夠從反應中獲得的能量遠遠多於投入的能量。這些不同尋常的早期結果使HB11能源公司相信,他們有“很大的機會可以領先於其他團隊,提前實現淨的能源收益的目標”。

  HB11能源公司的常務董事Warren McKenzie博士解釋說,許多核聚變實驗都是用激光將燃料加熱到極端高溫,但HB11公司的方法則具有根本的不同。他們是用激光通過非線性力大規模地加速氫原子核,使之穿過硼樣品,這就像是用氫作為標槍,希望擊中硼原子,如果擊中一個,就可以啟動聚變反應。從物理學角度看來,溫度與原子運動的速度相關,利用高溫來實現聚變本質上相當於希望隨機運動的原子能夠彼此碰撞。與之相比,HB11公司的方法要精確得多。McKenzie博士說:“我們並沒有試圖把燃料加熱到不可思議的高溫,而是迴避了半個多世紀以來一直阻礙聚變能發展的所有科學挑戰。這意味著我們的開發路徑將比任何其他的聚變方法都要快得多,也便宜得多。”

  Hora教授說:“現在我們要去說服那些研究核聚變的人們,這種方法比現有的需要數百萬攝氏度高溫的熱平衡發電機更好。我們現在有了新的技術,可以使整個形勢發生重大變化,它可以替代碳成為新的能源。這將是一種全新的形勢,並將為能源和氣候問題帶來新的希望。”

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  距離實際應用還有多遠?

  那麼,氫硼核聚變反應堆還需要多長時間才能成為商業現實呢?McKenzie博士沒有對此做出預測,他說:“規劃時間點是個棘手難纏的問題,我不想承諾我們能在10年內完成某些事情,最終卻一事無成,成為笑柄。”

  不過他認為未來將有幾個關鍵的里程碑需要逐一達到。第一個裡程碑是成功演示氫硼核聚變反應實驗,這個應該容易。第二個裡程碑是進行足夠多的反應,通過生成的α粒子的數量來計算在那兩束激光的共同作用下,從一個核燃料球中可以獲得多少能量,這將為在工程上建造一個核反應器提供所有相關的科學知識。第三個裡程碑是將所有這一切結合起來,展示一個切實可行的反應器的概念。

  這是破天荒的大事記。如果真能夠實現廉價、清潔、安全的核聚變能源的生產,那將是人類歷史上一次非同小可的飛躍,並將為我們未來的能源和氣候問題提供重要的解決方案。如果更進一步,核聚變能可以在不需要極端高溫的條件下獲得,那麼人們甚至可以在靠近他們家園的地方放心舒適地使用它們。

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