新反應(yīng)堆，以聚變觸發(fā)裂變，利用激光從核廢料中榨取電能
自然界中，太陽(yáng)的光和熱源自核聚變；氫彈的能量也來自核聚變。物理學(xué)家和工程師數(shù)十年來也一直在努力研究如何通過核聚變發(fā)電�，F(xiàn)在，研究人員能夠輕松制造出可控核聚變反應(yīng)——只要讓氫原子核足夠猛烈地碰撞壓縮到一起，它們就會(huì)融合，并釋放出中子和能量。然而，要讓核聚變用于發(fā)電，就必須做到更高效，以使反應(yīng)所釋放的能量大于觸發(fā)反應(yīng)(被稱為“點(diǎn)火”)所需的能量，這是科學(xué)界的一道難題。
因此，美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家點(diǎn)火裝置(National Ignition Facility)的科學(xué)家設(shè)計(jì)出一套新方案：用核聚變來驅(qū)動(dòng)裂變，利用原子分裂產(chǎn)生的能量來驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)核反應(yīng)堆。該實(shí)驗(yàn)室主任愛德華·摩西(Edward Moses)聲稱，利用這一機(jī)制運(yùn)作的實(shí)驗(yàn)性核電站有望在20年內(nèi)建成。
根據(jù)利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)想，要先在一個(gè)反應(yīng)室的內(nèi)壁上排放一厚層鈾或其他核燃料，然后利用激光脈沖在反應(yīng)室內(nèi)觸發(fā)核聚變爆炸，放射出的中子轟擊到內(nèi)壁上的核燃料后，會(huì)使其中的原子分裂。這可以將反應(yīng)室的能量輸出提升3倍，甚至更多。
和平利用核聚變驅(qū)動(dòng)裂變概念的提出，要追溯到上世紀(jì)50年代。當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)的氫彈之父安德烈·薩哈羅夫(Andrei Sakharov)首次提出了這個(gè)設(shè)想。
既然大部分能量仍來自裂變，為什么不繼續(xù)使用傳統(tǒng)核電站，卻非要不厭其煩地研究由聚變來觸發(fā)呢？原因在于，裂變反應(yīng)堆要依賴于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即裂變的原子釋放出的中子會(huì)觸發(fā)更多原子發(fā)生裂變。想要維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，就必須用钚或濃縮鈾作為燃料，這兩種材料都能用于生產(chǎn)核武器。
而聚變—裂變混合反應(yīng)堆是由聚變爆炸產(chǎn)生的中子觸發(fā)裂變反應(yīng)，不再需要維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行。這樣的設(shè)計(jì)擴(kuò)大了核燃料的選擇范圍，可以使用的燃料包括未濃縮的鈾、貧化鈾(來源豐富，濃縮鈾使用后的廢料)，甚至其他核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢料——否則，這些廢料必須得貯存數(shù)千年，或者需要進(jìn)行復(fù)雜和危險(xiǎn)的再處理后，重新作為裂變電站的燃料。
另一個(gè)原因是燃耗。對(duì)傳統(tǒng)核反應(yīng)堆而言，燃料使用到必須被更換之前，可裂變?cè)又袃H有一小部分發(fā)生了裂變。摩西介紹說，而聚變—裂變反應(yīng)堆能消耗掉核燃料的90%。因此，它的燃料需求量或許只是普通裂變反應(yīng)堆的1/20。這種反應(yīng)堆的使用壽命約為50年，其中最后十年被稱為“焚化”階段，在這一階段里，輸出電能逐漸減少，即使如此，它也能將約2 500千克的長(zhǎng)半衰期核廢料消耗到只剩約100千克。
與此同時(shí)，研究人員也在進(jìn)行基于磁控核聚變的聚變—裂變?cè)O(shè)計(jì)，這是可控核聚變的另一種方式，利用超強(qiáng)磁場(chǎng)來約束聚變反應(yīng)。2009年，美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家提出了一個(gè)帶有緊湊型磁控核聚變觸發(fā)裝置的混合反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案。中國(guó)的研究人員也正在評(píng)估關(guān)于優(yōu)化能量產(chǎn)生、傳統(tǒng)核反應(yīng)堆燃料生產(chǎn)，以及利用核廢料發(fā)電的設(shè)計(jì)方案。
以任何形式利用核聚變產(chǎn)生能量，都是很超前的設(shè)想。即便是摩西的實(shí)驗(yàn)室于今年成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，這種混合核電站的一些主要技術(shù)障礙依然存在。例如，微小的、精細(xì)加工制成的聚變靶丸要能以可接受的成本量產(chǎn)；還需要一系列未經(jīng)檢驗(yàn)的新技術(shù)，來保證點(diǎn)火頻率達(dá)到每秒10次(目前“國(guó)家點(diǎn)火裝置”在一天內(nèi)命中靶丸的次數(shù)也沒幾次)。
制造混合反應(yīng)堆，還需要一些在純聚變裝置中用不到的技術(shù)。具體來說，就是裂變?nèi)剂蠈�，其中的燃料要能�?jīng)受得住比傳統(tǒng)核反應(yīng)堆中高得多的溫度，以及猛烈得多的中子轟擊。候選設(shè)計(jì)包括從固態(tài)的多層“卵石”狀核燃料，到液態(tài)的、含釷、鈾或钚的熔融鹽。
這無疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但摩西已經(jīng)設(shè)想好了一條雄心勃勃的研發(fā)路線來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。雖然，他們實(shí)驗(yàn)室的首要任務(wù)還是必須證明激光核聚變能夠點(diǎn)火成功。
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