核聚變本世紀(jì)將迎來“巨變”？

2017/3/9 10:17:22

2016年12月12日，我國自主研制的熱核聚變核心部件，率先通過了國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，為國際熱核聚變項目立了一大功，并成為新華社權(quán)威媒體評選的2016年度十大能源新聞之一。同時，我國可控核聚變試驗也制造出了比太陽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，可控核聚變一直被很多科學(xué)家視為能源界一項登峰造極的“神功大法”。這門“武功”究竟有多厲害？目前人類修煉了幾成？且聽筆者一一道來。

核聚變：能源界的絕世武學(xué)

1932年，英國物理學(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兩種方式來釋放，一種是鈾、钚等重原子核分裂成幾個輕原子核的裂變反應(yīng)，另一種是幾個輕原子核聚合成一個重原子核的聚變反應(yīng)。1945年，美國送給日本的“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。

然而這些國家也發(fā)現(xiàn)，如此神功只用來打殺未免有點兒low（低端），而且沒什么前（錢）途。于是，各國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原理的核電站，率先實現(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，核聚變在世界舞臺上的第一次亮相也是伴隨著強(qiáng)光和巨響：1952年，美國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”，是因為核聚變一旦像裂變一樣實現(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，通常為幾百至幾萬噸級TNT炸藥當(dāng)量，而聚變彈則可大至幾千萬噸級TNT當(dāng)量；論能量密度，當(dāng)今裂變原理核電站主流堆型——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345.6萬兆焦（1兆焦=1000千焦=100萬焦），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《環(huán)境與生活》雜志《處理好的核廢物輻射小于X光》《中國核燃料循環(huán)執(zhí)行“閉計劃”》等文），來保障人員和環(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)過程中伴隨能量輸出而帶來中子輻射，但聚變產(chǎn)物氦是完全沒有放射性和其他毒性的穩(wěn)定核素，自身安全性很高，沒有必須深埋上萬年的高放射性廢物。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)，只會以無色無味的氣體形式存在。平時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。用一句話來形容就是廉價、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。