近日，澳大利亞HB11能源公司表示，他們?cè)诓恍枰邷兀膊划a(chǎn)生放射性核廢料的情況下，使得氫硼核聚變的反應(yīng)速率比預(yù)期水平高出10億倍。那么，安全無(wú)輻射的核聚變技術(shù)真的來(lái)臨了嗎？
林泉 /文
近日，澳大利亞HB11能源公司表示（HB11是Hydrogen- Boron 11，即氫和硼-11的縮寫），他們?cè)诓恍枰邷?，也不產(chǎn)生放射性核廢料的情況下，正朝著核聚變能的產(chǎn)生的方向推進(jìn)。
HB11能源公司脫胎于澳大利亞的新南威爾士大學(xué)，他們宣布，已經(jīng)通過日本、中國(guó)和美國(guó)獲得了一系列專利，以保護(hù)其獨(dú)特的聚變能源生產(chǎn)方法。該公司的負(fù)責(zé)人表示，他們規(guī)避了半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直困擾阻礙核聚變能源發(fā)展的所有科學(xué)挑戰(zhàn)，使得氫硼聚變的反應(yīng)速率比預(yù)期水平高出10億倍。[1]
1 無(wú)中子聚變
核聚變是理論上清潔、安全的人類能源需求解決方案，人們對(duì)此期待已久。太陽(yáng)之所以能夠產(chǎn)生巨大的能量，并持續(xù)為地球上的生命提供能源，依靠的正是在其自身引力束縛下的高溫高密度中心的熱核聚變。
我們通常熟悉的威力巨大的原子彈，以及世界各地運(yùn)行的大量核電站，利用的都是原子核裂變這一物理現(xiàn)象。核裂變是通過中子轟擊重的原子核（例如通常用到的鈾的一種同位素鈾-235），使之分裂成若干質(zhì)量較小的其它原子核，從而釋放出巨大的能量。核聚變的過程則是讓質(zhì)量較輕的原子核，比如氫的同位素氘（由一個(gè)質(zhì)子加一個(gè)中子組成）和氚（由一個(gè)質(zhì)子加兩個(gè)中子組成），在持續(xù)極端的高溫高壓條件下結(jié)合：
相比于強(qiáng)大卻有可能在意外事故中造成驚人破壞的核裂變過程，核聚變不僅很有可能可以提供可靠、安全、低成本的綠色能源，而且不甚可能會(huì)引發(fā)核反應(yīng)堆熔毀，從而導(dǎo)致放射性物質(zhì)外泄的事故。
然而，通常比較容易啟動(dòng)的核聚變反應(yīng)，如上面的氘氚（D-T）聚變過程，往往會(huì)產(chǎn)生大量中子，這些不帶電荷的中子會(huì)帶走聚變過程中釋放的大部分能量，并且會(huì)因?yàn)榇┩噶軓?qiáng)的中子輻射而產(chǎn)生一系列相關(guān)問題。因此，人們同時(shí)也集中精力研究所謂的無(wú)中子聚變（Aneutronic fusion）。無(wú)中子聚變過程中釋放的能量絕大部分由帶電粒子（如α粒子、質(zhì)子等）所攜帶，而不是通常電中性的中子。這樣不僅可以避免穿透力很強(qiáng)的中子輻射的問題，而且相比于電中性的粒子，帶電粒子更容易直接轉(zhuǎn)化為電能。不過相比于氘氚聚變，無(wú)中子聚變得以實(shí)現(xiàn)的條件要嚴(yán)苛得多。
幾種核反應(yīng)截面較大的無(wú)中子聚變反應(yīng)。無(wú)中子聚變反應(yīng)的產(chǎn)物是α粒子（即氦核）和質(zhì)子這樣的帶電粒子，而不是電中性的中子。[2]
要啟動(dòng)聚變反應(yīng)，首先需要有足夠的能量來(lái)克服作為燃料的同樣帶正電荷的原子核之間的庫(kù)倫斥力，這個(gè)過程也被稱為“點(diǎn)火”。而要讓反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，則需要聚變反應(yīng)的速率足夠高，能夠?qū)囟染S持在高于點(diǎn)火溫度的水平。這里的反應(yīng)速率正比于核反應(yīng)截面，即入射粒子和靶原子核之間發(fā)生反應(yīng)的概率。
相比于氘氚聚變，無(wú)中子反應(yīng)中作為燃料的原子核通常原子序數(shù)更高，即攜帶的電荷量更大，因此它們之間的庫(kù)倫斥力也更強(qiáng)，兩個(gè)原子核極難接近，相應(yīng)的點(diǎn)火溫度就更高。下面列出了幾種無(wú)中子聚變反應(yīng)的點(diǎn)火溫度，可以發(fā)現(xiàn)，與氘氚聚變相比，幾種無(wú)中子聚變的點(diǎn)火溫度要高出數(shù)倍，而它們的反應(yīng)截面卻要小得多。[2]
在幾種主要的無(wú)中子聚變反應(yīng)中，氦-3在地球上的自然含量非常少，以氘和鋰作為燃料的核聚變反應(yīng)本身雖然不產(chǎn)生中子，但次級(jí)反應(yīng)往往會(huì)產(chǎn)生一定量的中子，而對(duì)于氫硼聚變反應(yīng)，只要能夠?qū)湓雍说哪芰靠刂圃? MeV以下，反應(yīng)過程中就不會(huì)產(chǎn)生中子。[3]因此，氫硼聚變成了許多研究關(guān)注的焦點(diǎn)，HB11能源公司專注研發(fā)的正是這一反應(yīng)機(jī)制的相關(guān)技術(shù)。
2 激光技術(shù)前沿發(fā)展帶來(lái)的突破
目前一系列正在推進(jìn)中的大項(xiàng)目，包括馬克斯·普朗克等離子體物理研究所建造的實(shí)驗(yàn)性仿星器*受控核聚變裝置Wendelstein 7-X，使用托克馬克磁約束系統(tǒng)的國(guó)際（涉及35個(gè)國(guó)家）熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目，大多是利用氘氚聚變機(jī)制，通常需要達(dá)到1500萬(wàn)攝氏度這樣的高溫。我們知道，太陽(yáng)表面的溫度也才只有大約5500攝氏度，只有在太陽(yáng)的核心部分，溫度才能達(dá)到1500萬(wàn)攝氏度。
*仿星器：模擬恒星內(nèi)部持續(xù)的熱核聚變反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。
面對(duì)如此極端的高溫條件，HB11能源公司試圖另辟蹊徑。一方面，他們徹底放棄使用像氚這樣稀少、具有放射性且難以處理的核燃料，轉(zhuǎn)而使用來(lái)源充沛的氫和硼-11元素；另一方面，他們利用一些最為先進(jìn)又極為特殊和非常精準(zhǔn)的激光技術(shù)來(lái)點(diǎn)燃核聚變反應(yīng)，希望能夠避免對(duì)不可思議的高溫條件的依賴。
氫硼核聚變實(shí)驗(yàn)的裝置是一個(gè)幾近中空的金屬球，中心放置著一個(gè)HB11燃料球，在不同側(cè)為兩束激光留出了小孔。其中一束激光為等離子體建立約束磁場(chǎng)，另一束激光觸發(fā)“雪崩式”聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)幾近中空的金屬球，中心放置著HB11燃料球，兩束激光同時(shí)從不同方向射向燃料球。| 圖片來(lái)源：hb11.energy
這里用到的尖端激光技術(shù)依賴于獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“啁啾脈沖放大”技術(shù)，這一技術(shù)可以產(chǎn)生飛秒（10^-15 s）量級(jí)的激光脈沖，能極大地提高激光的功率。[4]通過在皮秒（10^-12 s）的時(shí)間間隔內(nèi)使用功率高達(dá)10^16瓦的激光脈沖，等離子體燃料可以被加速到10^7 m/s，與此同時(shí)卻不會(huì)被加熱。[3]
氫硼聚變反應(yīng)會(huì)生成大量的α粒子，也就是裸露的氦核，反應(yīng)產(chǎn)物中沒有電子。每個(gè)α粒子攜帶兩個(gè)單位的正電荷，這些粒子高速運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生巨大的電流，幾乎可以直接導(dǎo)入現(xiàn)有的電網(wǎng)，而不需要熱交換器或蒸汽渦輪機(jī)等。[5]
不同于煤或核裂變反應(yīng)需要加熱水之類的液體產(chǎn)生蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)，氫硼聚變產(chǎn)生的能量幾乎可以直接轉(zhuǎn)化為電能。| 圖片來(lái)源：hb11.energy
Heinrich Hora教授40年來(lái)一直致力于這項(xiàng)研究，他說，功率達(dá)10^16 瓦的激光脈沖是一項(xiàng)全新的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)使得即使沒有百萬(wàn)攝氏度的高溫，也可以創(chuàng)造出核聚變的條件。事實(shí)上，激光觸發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率比通常預(yù)測(cè)的要高10億倍，甚至比氘氚聚變還高。這種雪崩式的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，它使得能夠從反應(yīng)中獲得的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于投入的能量。這些不同尋常的早期結(jié)果使HB11能源公司相信，他們有“很大的機(jī)會(huì)可以領(lǐng)先于其他團(tuán)隊(duì)，提前實(shí)現(xiàn)凈的能源收益的目標(biāo)”。
HB11能源公司的常務(wù)董事Warren McKenzie博士解釋說，許多核聚變實(shí)驗(yàn)都是用激光將燃料加熱到極端高溫，但HB11公司的方法則具有根本的不同。他們是用激光通過非線性力大規(guī)模地加速氫原子核，使之穿過硼樣品，這就像是用氫作為標(biāo)槍，希望擊中硼原子，如果擊中一個(gè)，就可以啟動(dòng)聚變反應(yīng)。從物理學(xué)角度看來(lái)，溫度與原子運(yùn)動(dòng)的速度相關(guān)，利用高溫來(lái)實(shí)現(xiàn)聚變本質(zhì)上相當(dāng)于希望隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的原子能夠彼此碰撞。與之相比，HB11公司的方法要精確得多。McKenzie博士說：“我們并沒有試圖把燃料加熱到不可思議的高溫，而是回避了半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直阻礙聚變能發(fā)展的所有科學(xué)挑戰(zhàn)。這意味著我們的開發(fā)路徑將比任何其他的聚變方法都要快得多，也便宜得多?！?/p>
Hora教授說：“現(xiàn)在我們要去說服那些研究核聚變的人們，這種方法比現(xiàn)有的需要數(shù)百萬(wàn)攝氏度高溫的熱平衡發(fā)電機(jī)更好。我們現(xiàn)在有了新的技術(shù)，可以使整個(gè)形勢(shì)發(fā)生重大變化，它可以替代碳成為新的能源。這將是一種全新的形勢(shì)，并將為能源和氣候問題帶來(lái)新的希望?！?/p>
3 距離實(shí)際應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？
那么，氫硼核聚變反應(yīng)堆還需要多長(zhǎng)時(shí)間才能成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)呢？McKenzie博士沒有對(duì)此做出預(yù)測(cè)，他說：“規(guī)劃時(shí)間點(diǎn)是個(gè)棘手難纏的問題，我不想承諾我們能在10年內(nèi)完成某些事情，最終卻一事無(wú)成，成為笑柄。”
不過他認(rèn)為未來(lái)將有幾個(gè)關(guān)鍵的里程碑需要逐一達(dá)到。第一個(gè)里程碑是成功演示氫硼核聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，這個(gè)應(yīng)該容易。第二個(gè)里程碑是進(jìn)行足夠多的反應(yīng)，通過生成的α粒子的數(shù)量來(lái)計(jì)算在那兩束激光的共同作用下，從一個(gè)核燃料球中可以獲得多少能量，這將為在工程上建造一個(gè)核反應(yīng)器提供所有相關(guān)的科學(xué)知識(shí)。第三個(gè)里程碑是將所有這一切結(jié)合起來(lái)，展示一個(gè)切實(shí)可行的反應(yīng)器的概念。
這是破天荒的大事記。如果真能夠?qū)崿F(xiàn)廉價(jià)、清潔、安全的核聚變能源的生產(chǎn)，那將是人類歷史上一次非同小可的飛躍，并將為我們未來(lái)的能源和氣候問題提供重要的解決方案。如果更進(jìn)一步，核聚變能可以在不需要極端高溫的條件下獲得，那么人們甚至可以在靠近他們家園的地方放心舒適地使用它們。
參考文獻(xiàn)
[1] https://newatlas.com/energy/hb11-hydrogen-boron-fusion-clean-energy/?from=singlemessage&isappinstalled=0
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion
[3] H. Hora, et al. Road map to clean energy using laser beam ignition of boron-hydrogen fusion. Cambridge University Press, 12 December 2017
[4] https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/popular-physicsprize2018.pdf
[5] https://www.hb11.energy/our-technology
聯(lián)系客服
