安全无辐射的核聚变技术来了?

来源:返朴    ID:fanpu2019

林泉 /文

近日,澳大利亚HB11能源公司表示,他们在不需要超高温,也不产生放射性核废料的情况下,使得氢硼核聚变的反应速率比预期水平高出10亿倍。那么,安全无辐射的核聚变技术真的来临了吗?

近日,澳大利亚HB11能源公司表示(HB11是Hydrogen- Boron 11,即氢和硼-11的缩写),他们在不需要超高温,也不产生放射性核废料的情况下,正朝着核聚变能的产生的方向推进。

HB11能源公司脱胎于澳大利亚的新南威尔士大学,他们宣布,已经通过日本、中国和美国获得了一系列专利,以保护其独特的聚变能源生产方法。该公司的负责人表示,他们规避了半个多世纪以来一直困扰阻碍核聚变能源发展的所有科学挑战,使得氢硼聚变的反应速率比预期水平高出10亿倍。[1]

无中子聚变

核聚变是理论上清洁、安全的人类能源需求解决方案,人们对此期待已久。太阳之所以能够产生巨大的能量,并持续为地球上的生命提供能源,依靠的正是在其自身引力束缚下的高温高密度中心的热核聚变。

我们通常熟悉的威力巨大的原子弹,以及世界各地运行的大量核电站,利用的都是原子核裂变这一物理现象。核裂变是通过中子轰击重的原子核(例如通常用到的铀的一种同位素铀-235),使之分裂成若干质量较小的其它原子核,从而释放出巨大的能量。核聚变的过程则是让质量较轻的原子核,比如氢的同位素氘(由一个质子加一个中子组成)和氚(由一个质子加两个中子组成),在持续极端的高温高压条件下结合:

相比于强大却有可能在意外事故中造成惊人破坏的核裂变过程,核聚变不仅很有可能可以提供可靠、安全、低成本的绿色能源,而且不甚可能会引发核反应堆熔毁,从而导致放射性物质外泄的事故。

然而,通常比较容易启动的核聚变反应,如上面的氘氚(D-T)聚变过程,往往会产生大量中子,这些不带电荷的中子会带走聚变过程中释放的大部分能量,并且会因为穿透力很强的中子辐射而产生一系列相关问题。因此,人们同时也集中精力研究所谓的无中子聚变(Aneutronic fusion)。无中子聚变过程中释放的能量绝大部分由带电粒子(如α粒子、质子等)所携带,而不是通常电中性的中子。这样不仅可以避免穿透力很强的中子辐射的问题,而且相比于电中性的粒子,带电粒子更容易直接转化为电能。不过相比于氘氚聚变,无中子聚变得以实现的条件要严苛得多。

 几种核反应截面较大的无中子聚变反应。无中子聚变反应的产物是α粒子(即氦核)和质子这样的带电粒子,而不是电中性的中子。[2] 几种核反应截面较大的无中子聚变反应。无中子聚变反应的产物是α粒子(即氦核)和质子这样的带电粒子,而不是电中性的中子。[2]

要启动聚变反应,首先需要有足够的能量来克服作为燃料的同样带正电荷的原子核之间的库伦斥力,这个过程也被称为“点火”。而要让反应持续进行,则需要聚变反应的速率足够高,能够将温度维持在高于点火温度的水平。这里的反应速率正比于核反应截面,即入射粒子和靶原子核之间发生反应的概率。

相比于氘氚聚变,无中子反应中作为燃料的原子核通常原子序数更高,即携带的电荷量更大,因此它们之间的库伦斥力也更强,两个原子核极难接近,相应的点火温度就更高。下面列出了几种无中子聚变反应的点火温度,可以发现,与氘氚聚变相比,几种无中子聚变的点火温度要高出数倍,而它们的反应截面却要小得多。[2]

在几种主要的无中子聚变反应中,氦-3在地球上的自然含量非常少,以氘和锂作为燃料的核聚变反应本身虽然不产生中子,但次级反应往往会产生一定量的中子,而对于氢硼聚变反应,只要能够将氢原子核的能量控制在3 MeV以下,反应过程中就不会产生中子。[3]因此,氢硼聚变成了许多研究关注的焦点,HB11能源公司专注研发的正是这一反应机制的相关技术。

激光技术前沿发展带来的突破

目前一系列正在推进中的大项目,包括马克斯·普朗克等离子体物理研究所建造的实验性仿星器*受控核聚变装置Wendelstein 7-X,使用托克马克磁约束系统的国际(涉及35个国家)热核聚变实验堆(ITER)项目,大多是利用氘氚聚变机制,通常需要达到1500万摄氏度这样的高温。我们知道,太阳表面的温度也才只有大约5500摄氏度,只有在太阳的核心部分,温度才能达到1500万摄氏度。

*仿星器:模拟恒星内部持续的热核聚变反应的实验装置。

面对如此极端的高温条件,HB11能源公司试图另辟蹊径。一方面,他们彻底放弃使用像氚这样稀少、具有放射性且难以处理的核燃料,转而使用来源充沛的氢和硼-11元素;另一方面,他们利用一些最为先进又极为特殊和非常精准的激光技术来点燃核聚变反应,希望能够避免对不可思议的高温条件的依赖。

氢硼核聚变实验的装置是一个几近中空的金属球,中心放置着一个HB11燃料球,在不同侧为两束激光留出了小孔。其中一束激光为等离子体建立约束磁场,另一束激光触发“雪崩式”聚变链式反应。

实验装置是一个几近中空的金属球,中心放置着HB11燃料球,两束激光同时从不同方向射向燃料球。| 图片来源:hb11.energy实验装置是一个几近中空的金属球,中心放置着HB11燃料球,两束激光同时从不同方向射向燃料球。| 图片来源:hb11.energy

这里用到的尖端激光技术依赖于获得了2018年诺贝尔物理学奖的“啁啾脉冲放大”技术,这一技术可以产生飞秒(10-15 s)量级的激光脉冲,能极大地提高激光的功率。[4]通过在皮秒(10-12 s)的时间间隔内使用功率高达1016瓦的激光脉冲,等离子体燃料可以被加速到107 m/s,与此同时却不会被加热。[3]

氢硼聚变反应会生成大量的α粒子,也就是裸露的氦核,反应产物中没有电子。每个α粒子携带两个单位的正电荷,这些粒子高速运动会产生巨大的电流,几乎可以直接导入现有的电网,而不需要热交换器或蒸汽涡轮机等。[5]

不同于煤或核裂变反应需要加热水之类的液体产生蒸汽来驱动涡轮发电机,氢硼聚变产生的能量几乎可以直接转化为电能。| 图片来源:hb11.energy不同于煤或核裂变反应需要加热水之类的液体产生蒸汽来驱动涡轮发电机,氢硼聚变产生的能量几乎可以直接转化为电能。| 图片来源:hb11.energy

Heinrich Hora教授40年来一直致力于这项研究,他说,功率达1016 瓦的激光脉冲是一项全新的技术,这项技术使得即使没有百万摄氏度的高温,也可以创造出核聚变的条件。事实上,激光触发的链式反应速率比通常预测的要高10亿倍,甚至比氘氚聚变还高。这种雪崩式的链式反应是目标得以实现的关键步骤,它使得能够从反应中获得的能量远远多于投入的能量。这些不同寻常的早期结果使HB11能源公司相信,他们有“很大的机会可以领先于其他团队,提前实现净的能源收益的目标”。

HB11能源公司的常务董事Warren McKenzie博士解释说,许多核聚变实验都是用激光将燃料加热到极端高温,但HB11公司的方法则具有根本的不同。他们是用激光通过非线性力大规模地加速氢原子核,使之穿过硼样品,这就像是用氢作为标枪,希望击中硼原子,如果击中一个,就可以启动聚变反应。从物理学角度看来,温度与原子运动的速度相关,利用高温来实现聚变本质上相当于希望随机运动的原子能够彼此碰撞。与之相比,HB11公司的方法要精确得多。McKenzie博士说:“我们并没有试图把燃料加热到不可思议的高温,而是回避了半个多世纪以来一直阻碍聚变能发展的所有科学挑战。这意味着我们的开发路径将比任何其他的聚变方法都要快得多,也便宜得多。”

Hora教授说:“现在我们要去说服那些研究核聚变的人们,这种方法比现有的需要数百万摄氏度高温的热平衡发电机更好。我们现在有了新的技术,可以使整个形势发生重大变化,它可以替代碳成为新的能源。这将是一种全新的形势,并将为能源和气候问题带来新的希望。”

距离实际应用还有多远?

那么,氢硼核聚变反应堆还需要多长时间才能成为商业现实呢?McKenzie博士没有对此做出预测,他说:“规划时间点是个棘手难缠的问题,我不想承诺我们能在10年内完成某些事情,最终却一事无成,成为笑柄。”

不过他认为未来将有几个关键的里程碑需要逐一达到。第一个里程碑是成功演示氢硼核聚变反应实验,这个应该容易。第二个里程碑是进行足够多的反应,通过生成的α粒子的数量来计算在那两束激光的共同作用下,从一个核燃料球中可以获得多少能量,这将为在工程上建造一个核反应器提供所有相关的科学知识。第三个里程碑是将所有这一切结合起来,展示一个切实可行的反应器的概念。

这是破天荒的大事记。如果真能够实现廉价、清洁、安全的核聚变能源的生产,那将是人类历史上一次非同小可的飞跃,并将为我们未来的能源和气候问题提供重要的解决方案。如果更进一步,核聚变能可以在不需要极端高温的条件下获得,那么人们甚至可以在靠近他们家园的地方放心舒适地使用它们。

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