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核电 韦青 2015-07-28 15:37
中国电工网讯:

 

“变废为宝” – 利用核聚变技术从核废料中提取能源

 

        对于人类来说,随着矿物燃料的日渐枯竭,如何利用核能成了一个“想说爱你不容易”的棘手问题。其实,在利用核能的领域,核裂变反应还有一个孪生兄弟,那就 是核聚变反应。

        同核裂变相比,核聚变的优势首先在于同质量的核原料所释放的能量是核裂变所不能比拟的;其次在核燃料的取得上,氢、氘这两种物质的获取和加工也比放射性的铀和钚容易得多;较后,核聚变反应后产生的核废料经过无害化处理后基本上对人类和大自然不会带来负面影响,这也大大优于核裂变反应产生的高放射性核废 料。因此不管怎么看,核聚变反应都将是未来人类能源领域的发展方向。

(一)未来能源新希望

        和平利用核聚变驱动裂变概念的提出,要追溯到上世纪50年代。当时,苏联的氢弹之父安德烈•萨哈罗夫(Andrei Sakharov)首次提出了这个设想。

 

“变废为宝” – 利用核聚变技术从核废料中提取能源

 


        近日,美国利弗莫尔国家实验室研制成功一个名为“国家点火装置”的核聚变实验装置,该装置实现了以核聚变来驱动裂变,并利用原子分裂产生的能量来驱动传统核反应堆,论证了  “核聚变过程中释放能量大于消耗能量”的理论,这在核聚变的研究方面是一个重要的成果,同时也让人们可以放眼展望更加清洁、高效、安全的核能应用新纪元。

        根据利弗莫尔实验室的构想,要先在一个反应室的内壁上排放一厚层铀或其他核燃料,然后利用激光脉冲在反应室内触发核聚变爆炸,放射出的中子轰击到内壁上的核燃料后,会使其中的原子分裂。这可以将反应室的能量输出提升3倍,甚至更多。核聚变反应寿命很短,大约只有百万分之一秒,但它释放的能量是引发核聚变所需能量的50到100 倍。在这种类型的反应堆中,需要相继点燃多个目标,才能产生持续的热量。据科学家估计,每个目标的成本可控制在 0.25 美元左右,从而大大降低了核电厂的成本。

        既然大部分能量仍来自裂变,为什么不继续使用传统核电站,却非要不厌其烦地研究由聚变来触发呢?原因在于,裂变反应堆要依赖于链式反应,即裂变的原子释放出的中子会触发更多原子发生裂变。想要维持链式反应的进行,就必须用钚或浓缩铀作为燃料,这两种材料都能用于生产核武器。

        而聚变—裂变混合反应堆是由聚变爆炸产生的中子触发裂变反应,不再需要维持链式反应的进行。这样的设计扩大了核燃料的选择范围,可以使用的燃料包括未浓缩的铀、 贫化铀(来源丰富,浓缩铀使用后的废料),甚至其他核反应堆产生的废料——否则,这些废料必须得贮存数千年,或者需要进行复杂和危险的再处理后,重新作为 裂变电站的燃料。
另一个原因是燃耗。对传统核反应堆而言,燃料使用到必须被更换之前,可裂变原子中仅有一小部分发生了裂变。摩西介绍 说,而聚变—裂变反应堆能消耗掉核燃料的90%。因此,它的燃料需求量或许只是普通裂变反应堆的1/20。这种反应堆的使用寿命约为50年,其中较后十年 被称为“焚化”阶段,在这一阶段里,输出电能逐渐减少,即使如此,它也能将约2 500千克的长半衰期核废料消耗到只剩约100千克。

        与此同时,研究人员也在进行基于磁控核聚变的聚变—裂变设计,这是可控核聚变的另一种方式,利用超强磁场来约束聚变反应。2009年,美国得克萨斯大学奥斯汀分校的科学家提出了一个带有紧凑型磁控核聚变触发装置的混合反应堆设计方案。中国的研究人员也正在评估关于优化能量产生、传统核反应堆燃料生产,以及利用核废料发电的设计方案。
 

 

(二)实现构想及遇到的问题

 

        既然核聚变是核能应用领域的未来,我们就要知道什么是核聚变,它同核裂变有着怎样的关系。核裂变反应,简而言之就是是通过物理反应令核燃料的原子核发生分裂并形成两个新的原子核,而核聚变反应则相反,是由两个轻核(分别是氢原子和氘原子)融合到一起形成一个重核(氦原子),并在融合的过程中放出能量。”

虽然听上去简单,但是在实际操作中核聚变的难度是相当大的。要实现核聚变反应必须具备三个重要前提:
1)核聚变反应需要达到临界点才会发生,因此首先是温度, 美国利弗莫尔国家实验室的装置利用上百条激光对靶丸进行加温以获得核聚变所需要的高温和高压

2)其次是反应器中反应物的密度,因为原子发生融合反 应是一个小概率事件,所以想进行核聚变反应,需要在反应器中注入高密度的反应物,并约束在一个较小的体积内,这样才有可能发生融合反应;较后,如果反应器 中的氢原子核和氘原子核只是简单地碰撞还不足以完成融合反应,需要克服原子核之间的电磁力,当原子核之间的距离小到它们之间相互吸引的核力大于相互排斥的 电磁力时,才能产生核聚变反应

3)此外,如何为反应物氢原子和氘原子提供一个安全的“约会”地点也非常重要。因为核聚变反应所需的温度相当高,在现实中没有任何物质能够承受融合反应发生时上亿度的高温。所以目前可控核聚变主要有两种方式,一种是惯性约束核聚变,一种是磁约束核聚变。我国的东方超环核聚变实验中使用的是后者,利用磁场来约束超高温的反应物,让它在环形的反应容器内部运动而不会接触反应容器。

总之一句话:核聚变反应原理很简单但实现很难

(三)世界各国在核废料能源再利用领域的尝试

1)英国:欲利用核废料为航天器提供能源
        位于英国坎布里亚郡的塞拉菲尔德核燃料后处理设施正在研究从国家的反应堆核废料中获取镅-241,希望通过一个可行的办法利用该材料为欧洲航天局(ESA)的航天器提供能源。

        这个想法是基于美国1977年发射的使用核电源(钚电池)的“旅行者”号探测器,以及1997年发射的采用放射性同位素热电机的“卡西尼-惠更斯”行星际探测器。

        同样的设计也影响了较新的“好奇号”火星探测器。核材料可以持续多年散发出热量,核废物可以用来为探测器保温,避免它们在太空冻结。热量也可以转换成电源。

        英国国家核实验室已经从核武器生产留下的钚废料中获取了镅-241。ESA很想找到钚-238的替代品,因为这些材料目前仅能由美国和俄罗斯提供。该机构认为,镅-241是个好选择。每个核电池只需要大约5千克材料,这意味着在可预见的未来,英国的核计划可以满足所有ESA的需求。

 

“变废为宝” – 利用核聚变技术从核废料中提取能源

 

2)美国:劳伦斯.利弗莫尔国家实验室项目
        在美国旧金山附近“劳伦斯.利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)”,这里有美国政府投入了总额为30亿美元的激光核聚变设施“国家点火装置(NIF=national ignition facility)”,它的作用使氢原子发生核聚变而产生一个小太阳,理论上将带给我们一个无尽的能源的来源。

        这一切开始于一束激光,这束激光被分割为48束,接着这些激光束被反射镜引导进入放大器(在进入放大器之前将被总计为7689个氙闪光灯所激励),之后经过4次反射,通过整个设备(有3个足球场大小)后进一步被分成192束。经过了那些似乎没有终点的管道后,这些激光被以指数级别地放大。结果从一束10亿分之1焦耳的激光,经过NIF的科技人员利用这些设施变成了“总计为180万焦耳的紫外线辐射能量”,也就是说相当于美国的所有发电厂发电量的1000倍,5兆瓦特。

 

 

“变废为宝” – 利用核聚变技术从核废料中提取能源

 

3)中国:东方超环(EAST)
        几十年来,人们一直在研究和改进磁场的形态和性质,以达到长时间的等离子体的稳定约束,还要解决等离子体的加热方法和手段,以达到聚变所要求的温度。把氘、氚的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度,并至少持续1000秒,才能形成持续反应,让核聚变为人类所用。东方超环(EAST)寄托着中国科学家的期望。

        东方超环的主机部分,高11米,直径8米,重400吨,作为世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置,集中了超高温、超低温、超大电流、超强 磁场和超高真空5个极限。从设计到建设,整个项目的自研率在90%以上,取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。

        EAST项目是目前国际上唯一有演示未来ITER将会遇到关键物理和技术问题的装置,毫无疑问这对于ITER及未来的聚变电站都具有重要借鉴意义。例如,EAST在国际上首次采用高温超导电流引线,而中国这一技术成功应用于ITER,可为ITER节省人民币1000万元/年的制冷电耗,并可减少1.5亿元人民币的低温系统建设投资。

 

“变废为宝” – 利用核聚变技术从核废料中提取能源

 

4)国际合作项目:ITER计划
        国际热核实验反应堆(ITER)计划也被称为“人造太阳”计划,由欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度等7方共同参与,其目的是借助氢同位 素在高温下发生核聚变来获取丰富的能源。其原理类似太阳发光发热,即在上亿摄氏度的超高温条件下,利用氘、氚的聚变反应释放出核能。核聚变燃料氘和氚可以 从海水中提取,核聚变反应不产生温室气体及核废料。由于原料取之不尽,不会危害环境,这一计划被寄希望解决未来的能源问题。

        制造一个装置,通过受控热核聚变反应获得无穷尽的新能源。这就相当于人类为自己制造一个或数个小太阳,源源不断从核聚变中得到能量。

        1939年,美国物理学家贝特证实,一个氘原子核和一个氚原子核碰撞,结合成一个氦原子核,并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现,揭示了太阳燃烧的奥秘。

        ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的“超导托卡马克”。作为聚变能实验堆,ITER计划把上亿摄氏度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的磁场中,产生50万千瓦的聚变功率,持续时间达500秒。

        20世纪50年代初,苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念。苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇按照这样的思路,不断进行研究和改进,于1954年建成了第一个磁约束装置。他将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克(tokamak)。这是一个由封闭磁场组成的“容器”,像一个中空的面包圈,可用来约束电离了的等离子体。

        托卡马克中等离子体的束缚是靠纵场(环向场)线圈,产生环向磁场,约束等离子体,极向场控制等离子体的位置和形状,中心螺管也产生垂直场,形成环向高电压,激发等离子体,同时加热等离子体,也起到控制等离子体的作用。

        为了维持强大的约束磁场,电流的强度非常大,时间长了,线圈就要发热。为了解决这个问题,人们把较新的超导技术引入到托卡马克装置中,目前,法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导的托卡马克装置在运行,它们都只有纵向场线圈采用超导技术,属于部分超导。其中法国的超导托卡马克Tore-Supra体积较大,它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置,在放电时间长达120秒的条件下,等离子体温度为2000万摄氏度,中心粒子密度每立方米1.5×1019个。

 

“变废为宝” – 利用核聚变技术从核废料中提取能源

 

4)俄罗斯:激光动力核聚变反应
        俄罗斯科学家已经成功利用激光制造出一个温度达数十亿度的核火球,而由此引发的核聚变反应要比目前人类正在研究中的核能发电技术清洁的多。

        可惜的是,该研究小组的研究成果还无法用于核能发电,因为激光仪器需要消耗过多的能量。但是在实验室中实现这种激光动力核聚变反应有助于让科学家们更好地研究这种现象,来实现更加清洁的核反应能量。

        目前,核聚变发电的主要研究方向是,利用强磁场来限制灼热的原子核等离子体:核聚变专家希望在法国卡达拉奇地区建成的国际热核试验项目反应堆能够实现氘和氚原子核的聚变反应来产生能量。

        但是这一聚变反应也会产生大量中子。当这些中子冲击核反应堆壁时,会产生放射性同位素,而科学家们较终必须将这些同位素处理掉。虽然与目前核电站所使用的核裂变反应所产生的废料相比,这种核聚变反应所生成的放射性核废料要清洁的多,但是它并不完美。
 

 

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