核聚變本世紀(jì)將迎來(lái)“巨變”？

2017/3/9 10:17:22

2016年12月12日，我國(guó)自主研制的熱核聚變核心部件，率先通過(guò)了國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，為國(guó)際熱核聚變項(xiàng)目立了一大功，并成為新華社權(quán)威媒體評(píng)選的2016年度十大能源新聞之一。同時(shí)，我國(guó)可控核聚變?cè)囼?yàn)也制造出了比太陽(yáng)中心溫度還要高的氫等離子體，并且穩(wěn)定燃燒了一分多鐘，創(chuàng)了世界紀(jì)錄。從人類走進(jìn)核能大門以來(lái)，可控核聚變一直被很多科學(xué)家視為能源界一項(xiàng)登峰造極的“神功大法”。這門“武功”究竟有多厲害？目前人類修煉了幾成？且聽(tīng)筆者一一道來(lái)。

核聚變：能源界的絕世武學(xué)

1932年，英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯˙查德威克開啟了原子核的大門，人類開始逐漸認(rèn)識(shí)到原子驚世駭俗的“內(nèi)功”，并想方設(shè)法把它據(jù)為己用。原子核的這股巨力可以通過(guò)兩種方式來(lái)釋放，一種是鈾、钚等重原子核分裂成幾個(gè)輕原子核的裂變反應(yīng)，另一種是幾個(gè)輕原子核聚合成一個(gè)重原子核的聚變反應(yīng)。1945年，美國(guó)送給日本的“小男孩”和“胖子”，讓世人領(lǐng)教了核裂變驚世駭俗的爆發(fā)力和綿延許久的余威。此后，英、法、中等國(guó)也不甘示弱，陸續(xù)用原子彈試爆宣示自己也掌握了這門武功。

然而這些國(guó)家也發(fā)現(xiàn)，如此神功只用來(lái)打殺未免有點(diǎn)兒low（低端），而且沒(méi)什么前（錢）途。于是，各國(guó)紛紛走上了和平利用核能之路。1954年6月27日，前蘇聯(lián)建成了世界上第一座基于裂變?cè)�理的核電站，率先�?shí)現(xiàn)了可控核裂變，成功把剛烈“炸藥”變成了溫和“燃料”。60多年后的今天，全球已經(jīng)有400多臺(tái)核裂變反應(yīng)堆在商用電網(wǎng)系統(tǒng)服役，每年為全球貢獻(xiàn)10%左右的電力。

同核裂變一樣，核聚變?cè)谑澜缥枧_(tái)上的第一次亮相也是伴隨著強(qiáng)光和巨響：1952年，美國(guó)人率先搞出了以氫元素的同位素三兄弟氕（piē）氘（dāo）氚（chuān）中的氘和氚為原料的氫彈，威力比核裂變又高出好幾層樓，邁出了人類修煉聚變神功的第一步。之所以稱為“神功”，是因?yàn)楹司圩円坏┫窳炎円粯訉?shí)現(xiàn)商用發(fā)電，將是顛覆世界的革命性成功，人類在能源利用上很可能再也不用精打細(xì)算了。它有這么幾大好處。

不產(chǎn)生放射性廢物

好處一：高能。論核武器的威力，以鈾、钚等重元素為原料的裂變彈，通常為幾百至幾萬(wàn)噸級(jí)TNT炸藥當(dāng)量，而聚變彈則可大至幾千萬(wàn)噸級(jí)TNT當(dāng)量；論能量密度，當(dāng)今裂變?cè)�理核電站主流堆型——輕水式反應(yīng)堆所用的濃縮鈾（鈾-235含量為3.5%），每公斤所含的能量為345.6萬(wàn)兆焦（1兆焦=1000千焦=100萬(wàn)焦），相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的118倍，而氫元素聚變反應(yīng)的能量密度甩下濃縮鈾幾百條街，高達(dá)每公斤9.45億兆焦，相當(dāng)于只用不到4克氫的聚變，就能達(dá)到1公斤濃縮鈾裂變放出的能量。

好處二：清潔。核裂變所用的鈾-235，反應(yīng)后會(huì)分裂成碘-131、銫-137、鍶-90、氙-133、氪-88等核素，這些裂變產(chǎn)物仍然具有放射性，不能隨便亂扔，人們因此為它們準(zhǔn)備了周密的防護(hù)和處理制度（詳見(jiàn)《環(huán)境與生活》雜志《處理好的核廢物輻射小于X光》《中國(guó)核燃料循環(huán)執(zhí)行“閉計(jì)劃”》等文），來(lái)保障人員和環(huán)境不受電離輻射所傷。而聚變采用的氫元素三兄弟都是自然界最小的原子，唯一的聚變產(chǎn)物是第二小的原子氦。雖然反應(yīng)過(guò)程中伴隨能量輸出而帶來(lái)中子輻射，但聚變產(chǎn)物氦是完全沒(méi)有放射性和其他毒性的穩(wěn)定核素，自身安全性很高，沒(méi)有必須深埋上萬(wàn)年的高放射性廢物。此外，氦的化學(xué)性質(zhì)非常慵懶，正常環(huán)境下不和任何物質(zhì)起反應(yīng)，只會(huì)以無(wú)色無(wú)味的氣體形式存在。平時(shí)看到那些往上飄的氣球，就是用氦氣充的。

好處三：原料多。修煉聚變神功所需要的主材料氘，儲(chǔ)量只有氫的1/7000，換算到每一升海水中約含有30毫克氘。比例雖小，但總量驚人。海水中所含的氘達(dá)45萬(wàn)億噸，足夠人類使用上百億年。而且，一升海水所含的氘聚變后就可產(chǎn)生相當(dāng)于300升汽油的熱能。用一句話來(lái)形容就是廉價(jià)、豐富、好提取。至少到目前，氘都被看作取之不盡用之不竭的原料。