安全无辐射的核聚变技术来了?

作者: 林泉

来源: 返朴

发布日期: 2020-03-10

澳大利亚HB11能源公司宣布,他们在不需要超高温和放射性核废料的情况下,使氢硼核聚变的反应速率比预期高出10亿倍。这一突破可能为清洁、安全的核聚变能源提供新的解决方案。

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。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。

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。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,如氘氚聚变过程,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。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。

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。

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热核聚变实验堆项目,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。

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。

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。

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。

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