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是杀伤利器也是发电能手 核能的"两副面孔"如何炼成
来源:科普中国网  |  发布时间:2021-03-19  |  浏览量:5821

    编者按 3月15日,习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议,研究实现碳达峰、碳中和的基本思路和主要举措。核电因其清洁、高效、灵活的特性,被作为绿色低碳能源体系中重要一员受到高度关注。据此,本报推出系列报道,解析核能核电的方方面面。

  在现有的科学框架内,可控核聚变可以说是人类的终极能源,取之不尽、用之不竭,同时具有清洁、安全、环保的优点,对人类社会的影响不亚于又一场工业革命。

  ——李正宏 中国工程物理研究院核物理与化学研究所研究员

  3月13日,中国自主三代核电技术“华龙一号”福清6号机组应急柴油发电机组启动成功;此前,“华龙一号”全球首堆中核集团福清核电5号机组正式投入商业运行,这标志着我国打破了国外核电技术垄断,正式进入核电技术先进国家行列。

  从小小的原子核中迸发出的能量被人类寄予厚望。这种能量从何而来?它与核武器中爆发出的能量有何异同?在将它变成人类终极能源之前,我们还要迈过哪些技术难关?对此,科技日报记者采访了相关专家。

  核电与核武器“师出同源” 

  提起核能,很多人的第一反应是威力巨大的核武器。“核武器主要分为核裂变武器与热核武器两种,其中核裂变武器俗称原子弹,而热核武器俗称氢弹。”中国工程物理研究院(以下简称中物院)核物理与化学研究所李正宏研究员介绍,相比于氢弹,原子弹采用的核裂变反应的引发较为容易,只需要达到临界质量即可。

  氢弹的能量主要来自于轻核材料的原子核聚变,这种轻核材料是氢的同位素氘和氚。李正宏说:“相比于核裂变,核聚变反应需要极高的温度、压力才能引发。热核武器的技术难度远大于核裂变武器,威力也相当惊人,苏联设计的大伊万氢弹的核爆当量达到了5800万吨,是广岛原子弹的3800多倍。”

  可以看出,氢弹的威力远大于原子弹。这是否与核裂变和核聚变截然不同的原理有关?

  作为一种特殊的武器装备,核武器的反应原理不会像一颗子弹那么简单。中物院核物理与化学研究所黄洪文研究员介绍,在核裂变反应中,重核原子(如铀-235)经中子撞击后,裂变成为两个较轻的原子,同时释放出数个中子。释放出的中子再去撞击其它的重核原子,从而形成连锁反应,使得裂变反应持续进行。

  而在裂变反应中,通过吸收多余中子,维持中子数量平衡,裂变反应的速度能够得到控制,核裂变能就可以稳定释放。目前核电站采用的就是这种技术,“华龙一号”即为其代表。

  黄洪文指出,与裂变反应不同的是,在聚变反应中,两个较轻的原子核直接碰撞、结合,形成一个较重的核(可能伴随形成一个极轻的核)。聚变反应的维持非常困难。

  李正宏进一步解释,由于原子核都带有正电荷,只能利用极高的温度、压力才能克服原子核之间巨大的核力使得轻核结合。“在核聚变的引发和维持都非常困难的条件下,目前只有氢弹实现了聚变能量释放,而能够实现能量增益的可控核聚变仍在持续研究中。”

  简单来说,可控核聚变是指合理地控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。那么如何才能满足聚变反应的多个条件?李正宏介绍,首先必须提高物质的温度,使原子核和电子分开,处于这种状态的物质称为等离子体,然后适当地控制等离子体的温度、密度和封闭时间(维持时间)。

  “这三项条件缺一不可,这其中等离子体的温度需达到约1亿摄氏度。这种高温等离子的产生、维持以及与之相关的一系列工程问题也是目前可控核聚变实现的主要难点。”李正宏说。

  困难与收益成正比 

  通过控制反应速度,令人闻之色变的核能可以摇身一变,成为具有广阔应用前景的新能源,服务于生活。如今,作为一种清洁无污染的高效能源,核能早已成为太阳能、风能、地热能、水能等受地域限制极为明显的能源的重要补充,显示出强大的生命力。通过核裂变反应进行的新型第三代、第四代核电站在安全性、经济性等诸多方面取得了长足进步。在核裂变发电已经取得良好应用成果的前提下,发展可控核聚变技术更是显得困难重重,那么,研究可控核聚变的意义又在哪里?

  可控核聚变反应的原料可直接取自海水,来源几乎取之不尽;其安全性是核裂变反应堆无法相比的,只要不维持对等离子体的约束,聚变反应便会自动停止;核聚变产生的核废料半衰期极短,因而核泄漏时总危害很低,其厂外只需将一公里内的居民应急撤离,事故后短时间内环境即可恢复正常。

  “不仅如此,可控核聚变也是一种优质中子源,借此可以触发核裂变。利用中子源触发核裂变反应称为次临界核裂变,次临界核裂变不但安全性接近核聚变,且技术难度较纯核聚变发电低,还可以处理核裂变发电生成的核废料,使其半衰期由数万年缩短为数百年。”李正宏说。

  相关专家表示,关于可控核聚变的研究争议有几个方面。有人认为其研制周期长、耗资巨大,因此在石化能源充沛,太阳能、风能等新能源发展迅猛的当代难以产生经济效益。

  目前在建的最大的实验型聚变装置为法国南部的国际热核聚变反应堆(ITER)。其项目的工程设计开始于1992年,随后受设计变更、成员国变更等因素影响,直至去年7月28日才开始其托卡马克装置的安装工程,引发了很多对可控核聚变的争议。

  “我国对可控核聚变的研究始于上世纪50年代,老一辈核物理学家倡导开展‘可控热核反应’研究以来,中国核聚变研究沿着磁约束聚变和惯性约束聚变两条技术路线展开。”李正宏介绍,60多年来,中国可控核聚变从无到有,从弱到强,取得跨越式发展,部分方向已经实现国际引领。

  可控核聚变或是人类终极能源 

  目前为止,最主要的几种可控核聚变方式有磁约束核聚变、激光约束核聚变、Z箍缩驱动的惯性约束聚变。

  磁约束核聚变中,科研人员首先利用加热系统将聚变燃料加热至高温等离子体状态,然后利用磁场约束等离子中的带电粒子,主要包括氘原子核、氚原子核和电子,带电粒子会沿着磁场线螺旋运动,从而避免直接与外部的容器壁接触,被磁场约束的等离子体将继续升温至超过1亿摄氏度,直到引发核聚变反应。

  激光约束核聚变是前面所提到的惯性约束聚变的一种,指利用激光的冲击波使包含氘和氚的燃料球在瞬间达到极高的温度和压力,引发核聚变反应。与持续稳定运行的磁约束聚变的区别在于激光约束聚变以脉冲的形式运行。

  Z箍缩驱动的惯性约束聚变与激光约束聚变在聚变过程上有相似之处,不同之处在于,Z箍缩是利用沿轴向(也就是Z轴方向)的强大电流产生的自箍缩效应,对氘氚燃料球加热、加压,Z箍缩驱动的惯性约束聚变同样以脉冲的形式运行。

  大多数人都知道,常见的核聚变反应的原料是氢的同位素。“目前,氘和氚是核聚变的最佳燃料,其发生核聚变所需的温度、压力条件最容易满足,其中氘是氢的稳定同位素,可以直接从海水中获得。”李正宏说。

  那么,为什么海水中能轻易获得核反应原料氘,但是氚的获取难度却相当高?

  李正宏进一步解释道,氘是氢的稳定同位素,包含1个质子和一个中子,在海水中所有氢中的占比约为七千分之一,其分离较为容易;而氚是氢的不稳定同位素,包含1个质子和2个中子,会自发衰变,每过12.43年就要减少一半,所以地球诞生之初所存在的氚早已衰变得无影无踪。

  实际上,自然界中残存的氚是宇宙射线的产物,全部含量只有几千克,可以忽略不计,聚变发电所需的氚只能通过核反应人工合成,最简单的方式是利用锂与中子反应生成氚,氘吸收中子也能生成氚。

  “在现有的科学框架内,可控核聚变可以说是人类的终极能源,取之不尽、用之不竭,同时具有清洁、安全、环保的优点,对人类社会的影响不亚于又一场工业革命。”李正宏表示。(李 迪 陈 科)


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