核聚變將最終成為未來的能源嗎?

2020-11-24 中國科學技術館

　　按目前世界能量的消耗率估計, 地球上蘊藏的核聚變能可用100億年以上。因此從原理上講, 聚變能可以成為人類取之不盡、用之不竭的能源。實際情況真的如此嗎?人類離可控核聚變還有多遠?《科學通報》發表中國原子能研究院研究員陳永靜撰寫的「核聚變將最終成為未來的能源嗎?」一文，介紹了核聚變基礎知識和可控核聚變的發展及現狀。

　　眾所周知, 核能主要有裂變能和聚變能兩種。裂變能是重元素(如鈾、鈽、釷等)的原子核在分裂成質量較輕的原子核過程中所釋放的能量。人類已經掌握了可以控制這個分裂過程的技術, 因此目前世界上所有核電站都是利用可控裂變過程產生的裂變能進行發電的。 其優點是少量原料就可產生巨大的電能、環境汙染少且不存在對石化燃料的依賴。缺點是總是存在發生核事故的風險, 所產生的核廢料有放射性, 處置不當對環境會造成汙染; 同時鈾、鈽等資源有限。 目前全球已建成以原子核裂變能量發電的核電站達到400多座, 核電發電量已佔電力總發電量的近20%, 同時, 許多核電廠仍正在或計劃建設中。核聚變是指由質量小的原子核, 主要是指氘(D)、氚(T)和氦-3(3He)等, 在一定條件下(如超高溫和高壓)發生原子核相互聚合作用, 生成新的質量更重的原子核, 並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。

　　相比核裂變, 核聚變有兩大優點: (1) 不會產生長壽命和高放射性的核廢料, 也不產生溫室氣體, 因此基本不汙染環境; (2) 地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。據估算, 每升海水中含有0.03 g氘, 所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1 L海水中所含的氘, 經過核聚變可提供相當於300 L汽油燃燒後釋放出的能量。按目前世界能量的消耗率估計, 地球上蘊藏的核聚變能可用100億年以上。因此從原理上講, 聚變能可以成為人類取之不盡、用之不竭的能源。

　　目前人類還沒有掌握控制聚變過程的技術, 為此世界發達國家不斷投入大量的人力、物力和財力進行核聚變能研究和開發。 然而, 可控核聚變的實現在工程上是非常困難的事情。 可控聚變反應和可控裂變反應的研究都是從20世紀50年代初開始的, 時至今日, 核裂變反應堆或發電廠早已普及, 而可控核聚變的和平利用卻無一實現。由歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度7方共同參與的, 為期30年, 耗資100億歐元的國際熱核聚變實驗堆(international thermonuclear experimental reactor, ITER)計劃, 至今尚未取得獲取聚變能的實質性成果。

　　圖1顯示的是幾個聚變反應的反應機率(以截面為單位)隨入射粒子能量(以千電子伏特為單位)的關係。可以看出, 氘-氚聚變是最容易實現的, 也是以目前的技術水平來說最現實的選擇。即便這樣, 要實現聚變過程, 也需要把氘-氚混合氣體(等離子體)的溫度加熱到上億度, 並維持一定的等離子體密度足夠的時間。但要維持這樣高的溫度, 靠普通的容器約束是無法進行的, 因此必須採用新方法。幾十年來對核聚變的研究, 主要沿著磁約束和慣性約束兩大途徑進行。

　　磁約束是利用強磁場對高溫等離子體進行約束,通過構造特殊的磁容器, 將聚變材料加熱至數億攝氏度並維持一定的等離子體密度, 實現聚變。這一技術方向的聚變能研究已經取得了重大進展, 其中以託克馬克類型的磁約束研究為典型代表, 達到了建立像ITER這樣的實驗堆的階段。

　　慣性約束與磁約束不同。慣性約束實際上對等離子體不加約束, 而是利用粒子的慣性, 在它們來不及散開之前就發生聚變反應, 以取得足夠的能量。國際上包括美國、法國、中國等在內的國家都在這方面開展了許多工作。但是美國的國家點火裝置(National Ignition Facility, NIF)目前沒有達到預期的點火目標, 一定程度上影響了人們對這一途徑的信心, 而離建造能夠發電的電廠則有更遙遠的路要走。


　　圖1 常見的幾個聚變反應截面

　　以目前人類的技術水平, 只能實現基於氘-氚聚變的第一代聚變堆建設。雖然地球上的氘資源是「無限」的, 但是卻沒有氚資源, 因此氚是靠中子與鋰-6(6Li)反應生產出來的, 這就涉及了鋰資源的問題。 此外, 產氚需要中子, 為了使聚變能夠持續進行, 需要聚變堆在運行的同時, 不斷地生產足夠的氚, 用於補充反應掉的氚, 即需要一整套複雜的氚產生及在線處理系統。這不僅要求充分利用氘-氚反應產生的中子, 還需要對中子進行增殖,以保證有足夠的氚增殖係數。因此, 聚變堆需要用到大量的中子增殖材料, 如鈹、鉛等, 但是這些資源並不是無限的。Bradshaw等人曾對這些因素進行過研究, 他們假設到2050年, 人類的用電量比2007年翻一番, 其中聚變堆發電量佔30%, 則需要2760個1 GWe的聚變電站。這樣每年需消耗806 t的鋰-6, 初始裝料至少需要9940 t, 已知的現有鋰資源可維持3540年。 對於鈹的用量, 每年消耗524 t, 初始裝料需331000 t, 而目前已知的鈹儲量只有約80000 t, 即現有的鈹儲量已經不夠這麼多電站的初始裝料。如果用鉛作為中子增殖劑, 則情況會好很多, 每年消耗約8560 t, 初始裝料為11.3 Mt, 目前的儲量可以維持175000年。以上這些資源的估算只考慮聚變電站的使用, 沒有考慮這些資源別的用途, 也沒有考慮這些資源開採的難度和成本。

　　聚變能要成為人類可大規模利用的能源, 除了技術可行性和安全性之外, 還需要把成本控制得足夠低才有競爭力。 因此核聚變是否能成為人類能源需求的終極供應者, 目前似乎還無法給出肯定的答案。ITER自2010年開始建造以來, 由於各種技術、合同及資金問題, 該項目的進展一再推遲。現在ITER組織希望在2020年開始實驗, 2027年開始注入氘和氚燃料, 而氘和氚燃料的實驗需要進行約10年之久, 之後才有可能進行示範堆及商業堆的建造。因此人類掌握核聚變之路依然漫長。

　　值得關注的是, Science於2015年8月24日報導了位於美國加州的聚變能研究公司Tri Alpha最近取得了可控聚變的新突破,有望在ITER採用的大型託克馬克裝置之外為可控核聚變能利用找到更為經濟的技術路線。 他們使用的聚變燃料是氫-硼等離子體, 達到聚變的溫度需要30億攝氏度, 這意味著更加困難的技術挑戰。之所以選擇氫-硼作為聚變燃料是因為其聚變反應中不會釋放中子, 而只產生3個α粒子, 更適用於聚變能的商業利用, 這也是公司命名為Tri Alpha的原因。雖然很多人對這一成果質疑, 但依然獲得了美國學術界及企業界的廣泛關注。

文/陳永靜, 葛智剛, 劉麗樂

本文來自《科學通報》

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