2040年 可能用上新核能

2017/8/14 10:38:40

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。近日，美国一个名为“国家点火装置”的核聚变实验装置实现了“核聚变过程中释放能量大于消耗能量”，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。

核聚变反应原理简单实现很难

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，它同核裂变有怎样的关系。合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的张振博士对本报记者解释说：“核裂变反应是通过物理反应令核燃料的原子核(重核)发生分裂，形成两个新的原子核(轻核)，而核聚变则是反其道而行之，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。张振介绍了核聚变反应的三个重要条件：“我们用打火机点燃某物，需要达到燃点物品才能被点燃。进行核聚变也需要达到临界点才会发生。首先是温度，前面提到的美国这个核聚变实验装置中，他们用上百条激光对靶丸进行加温来获得核聚变所需要的高温和高压;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;最后，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。”

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要的温度相当高，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。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。我们在EAST(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。”

未来能源的新希望

“现在核聚变反应所面临的最大问题在于能源的成本问题。目前"东方超环"项目等离子体存在时间能够达到1000秒左右，不过这1000秒的反应时间中所产生的能量还不足以抵消试验中所消耗的能源成本。如果核聚变反应所产生的能源还不如消耗的能源多，那么它在实际生活中的应用仍很遥远。”张振介绍说，此次美国的核聚变实验结果之所以被学界广泛关注，正是因为这意味着核聚变反应已经朝着实用化迈出了第一步。

“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;最后，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。”

据张振介绍，目前，由多个国家共同开发的ITER(国际热核聚变实验反应堆)项目组已经大胆地预测，在2040年前后，热核反应将会在能源领域投入商业运营。到那时，以核聚变为核心的核电站将会为人们的生产、生活提供能源支持。而在未来，随着研究的深入和科技的进步，核聚变反应堆也会小型化，代替内燃机成为各种交通工具的动力源。