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氘、氚聚變不僅是一個巨大的能源,而且是一個巨大的中子源。我們可以利用聚變反應室產生的中子,在聚變反應室外的鈾-238、釷-232包層中,生產鈈-239或鈾-233等核燃料。這就是所謂聚變裂變混合堆,簡稱混合堆。

1混合堆

混合堆是一個可供選擇的堆型。鈾-235原子核一次裂變,可以放出2.43個中子;氘、氚一次聚變,只放出1個中子,比鈾-235一次裂變放出的中子少;但由於鈾-235吸收中子後有一部分會變成鈾-236而不裂變,所以鈾-235每次平均要吸收1.175個中子才能裂變,要求鈾-235質量大,如果按相同質量比較,氘、氚聚變放出的中子數,是鈾-235裂變釋放的凈中子數的43倍以上。氘、氚聚變時釋放的能量,80%變成聚變時放出的中子的動能。因而氘、氚聚變不僅釋放的中子數量多,而且釋放的中子能量高。鈾-235裂變放出的中子能量大多為100~200萬電子伏,而氘、氚聚變放出的中子,能量高達140O萬電子伏。然而要直接利用高能量中子的這部分動能是很困難的。可是從生產核燃料的角度來看,一個聚變中子的作用比一個裂變中子的作用大得多。這是因為高能聚變中子轟擊到鈾-238及釷-232靶上,可以產生一系列串級的引起中子和核燃料增殖的核過程,釋放出比聚變中子能量稍低但數量增加幾倍的次級中子。這些次級中子,除了一部分仍可使鈾-238及釷-232裂變繼續放出中子外,還有一部分可以使鈾-238及釷-232變成鈈-239及鈾-233等優質核燃料。
在適當厚的天然鈾靶內,一個聚變中子可以生產出22倍於它所攜帶的能量,並獲得5個鈈-239原子核。由於這個原因,如果在聚變反應室外放置一層足夠厚的由天然鈾、鈾-238或釷-232組成的再生區,聚變產生的中子,就可以在再生區生產鈈-239及鈾-233,並釋放出裂變能。這個再生區又叫混合堆的裂變包層。當然聚變中子也可以使再生區中的鋰變成氚,補充氚的消耗。根據這種考慮,早在1953年,美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室的鮑威爾,就提出了建立聚變-裂變混合堆的建議。正是由於使用聚變產生的中子,有可能比軍用生產堆生產出更多的核武器用的鈈-239,所以美、前蘇聯、英聚變研究的早期,是高度保密的。後來看到這種方式一時難以成功,才互相解密,開展了大規模的國際合作。

2混合堆的難題

由於聚變反應室壁和高溫等離子體的相互作用,會使反應室壁發熱。目前多希望用鋰或鋰的化合物來冷卻它,以便在冷卻反應室壁的同時增殖氘。估計在用鋰冷卻的條件下,反應室壁將達到800℃以上的高溫,比目前鈉冷快堆燃料元件包殼的使用溫度高200多攝氏度。如此高的溫度及高能中子、離子、γ射線和中性原子的轟擊,使聚變反應室壁的工作條件,比裂變堆中的結構材料的工作條件苛刻得多。由於聚變反應室壁難以更換,為了滿足經濟運行的要求,希望反應室壁能長期工作,甚至工作到混合堆退役。目前這種材料還沒有找到。因此研製反應室壁的結構材料,研究冷卻劑對它的腐蝕,是實現混合堆的重要課題。
對於磁約束的混合堆來說,如果採用液態鋰作為冷卻劑,由於它在強磁場中的磁流體阻力,要消耗大量的泵功率來驅使它流動,將嚴重影響其經濟性的改善。
如果在聚變反應室外加上裂變包層后,則上述問題更難解決。這是由於裂變包層中的鈾和釷在聚變反應室放出的中子轟擊下,有強烈放射性。對於托卡馬克型聚變-裂變混合堆,如採用離子迴旋加熱,就會有數十甚至上百根巨大的同軸電纜要穿過裂變包層到聚變反應室。這種電纜除了會減少包層覆蓋率外,電纜中的絕緣材料,也可能在強烈的中子轟擊下破壞。目前還考慮用低混雜波電流驅動使托卡馬克在接近於穩態的狀態下運行。如果這樣,則穿過包層的波導管會使裂變包層留下不少難以屏蔽的空洞,大量中子及γ射線從空洞中泄漏,使工作人員難以接近。其他類型的聚變-裂變混合堆也有類似問題。
由於混合的裂變包層是在沒有鏈式反應的狀態下運行,因而一旦出現鏈式反應的條件,就會形成切爾諾貝利核電站那樣的嚴重事故。這是由於按照混合堆設計要求以及混合堆空間的限制,它不存在裂變反應堆那種緊急停堆保護系統。
混合堆的裂變包層靠近聚變反應室一側,由於中子通量高,因而功率比另一側高得多。與裂變反應堆相比,混合堆裂變包層的功率分佈的梯度大得多,功率分佈的不均勻,給混合堆的運行造成了困難。
由於上述原因,不少學者認為,混合堆不僅將聚變堆和裂變堆的優點結合在一起,也將兩者的困難結合在一起。有的學者甚至認為,混合堆比純聚變堆還困難。但不管怎樣,混合堆仍然是一個可供考慮的途徑。
混合堆的相對優勢
快堆和混合堆一樣,也是同時生產能量及核燃料的工廠。但和混合堆相比,快堆有3個缺點:第一,要有很大的初始裝料,例如120萬千瓦的「超鳳凰」快堆,要裝4噸核燃料;而混合堆不需要投入鈾-235或鈈-239等核燃料,可以直接用天然鈾或核工業中積存下來的貧鈾、乏燃料。第二,快堆倍增時間較長,要每過6年甚至30多年,才能增殖出一座相同功率的快堆用的核燃料。因此一座快堆增殖的核燃料除自身消耗外,只能在積累到一定量后,「養活」一座快堆;而混合堆生產的鈈-239或鈾-233,比相同功率的快堆多幾倍到十幾倍,因而可以用混合堆來「養活」幾倍甚至十幾倍於它的相同功率的壓水堆或快堆;第三,快堆和壓水堆一樣,都要求在實現鏈式反應的狀態下運行;而用混合堆生產鈈-239或鈾-233時,不需要達到實現鏈式反應的條件,因而有可能更加安全。
聚變堆為了獲得有益的能量輸出,要求聚變產生的能量,遠大於為創造實現聚變的條件而消耗的能量。混合堆只要求聚變產生的能量與消耗的能量差不多相等就可以了,因而它對聚變的要求比純聚變堆容易些。
目前的聚變技術,特別進展得比較快的托卡馬克,雖然在個別孤立的指標上達到或接近於為設計混合堆所要求的條件,但是從工程觀點來看,這些技術還遠沒有成熟。建造聚變-裂變混合堆的首要條件,是需要有一個聚變反應室作為堆芯,它能連續而穩定地提供大量廉價的中子。即使不能連續和穩定地運行,至少也應能按照需要周期地運行。而目前的聚變裝置,都耗資巨大,雖然有可能在短暫的時間裡提供相當數量的中子,卻不能連續和穩定,或按照需要周期地運行。專家們估計,不經過30~40年的努力,要建造一個穩定、廉價的聚變中子源是不可能的。
對於以磁約束實現聚變的混合堆,從聚變區逸出的離子和中子,會使聚變反應室壁受到嚴重的輻照損傷。反應室壁受到轟擊后濺射出來的雜質,進入等離子體后又會使聚變區溫度降低而熄火;對於慣性約束,反應室壁受到的γ射線及離子射線的轟擊也很嚴重。因此研究聚變區內約束等離子和實現聚變的條件,研究等離子體與聚變反應室壁的相互作用,是研製混合堆要解決的問題。

道路曲折,目標明確

科學技術的發展過程中,會遇到困難,發生曲折和反覆,是正常的,不足為奇。
在世紀之交,圍繞法國「超鳳凰快堆」的爭論即是一例。這是以中國神話一種從自己的灰燼中獲得永生的鳥的名字來命名的核電站,早在十多年前就曾併入法國電力公司的電網,雖正常運轉時間不長,但作為技術探索,提供的經驗卻是寶貴的。
目前在俄羅斯、日本、印度等就有8座快堆,即快中子增殖反應堆正在正常運行。
當然,不應當否認現在快堆發電還存在一些技術問題,但是,只要重視,問題是可以解決的。從根本上講,快堆不僅具有固有的安全性,而且具有很好的經濟性。與熱堆核電站相比,快堆核電站對核燃料的利用率高出了60~70倍,同時快堆還能焚燒掉長壽命放射性錒系元素。快堆核電站和熱堆核電站能相輔相成地為人類提供安全、經濟和潔凈的電能。有遠見的國家,是不會忽視對快堆核電開發的,例1995年,日本的裝機容量為28萬千瓦的快堆「文殊」號,就成功地進行了發電、供電試驗。因此,日本政府1997年6月宣布,要繼續推進其開發快堆和核燃料再循環計劃。
到2050年,中國的能源缺口將達10億噸標準煤。人們已經體會到人類大量使用碳基燃料已經成為環境污染的重要因素之一,加速發展包括快堆核電站在內的核電事業,是解決上述矛盾的重要途徑之一。在快堆技術發展上,中國也給予了高度重視,各有關主管部門給予了有力的支持,在1987年將快堆技術研究納入了國家「863」高技術計劃,列為該計劃能源領域的最大項目,建成了熱功率為65兆瓦、電功率約20兆瓦的快中子實驗堆。
近十多年來,世界快堆處在低潮,主要原因,是從70年代後期開始,世界經濟發展速度減緩,能源和電力增長速度也隨之減緩,熱堆核電站的發展相應減緩,因此作為熱堆核電站後續者的快堆事業的發展也受到制約。但是,各國快堆發展也不平衡,各國根據自己不同的國情採取了不同的政策。在西歐的「超鳳凰快堆」 時起時落的爭論不休中,中國作為一個核大國,仍作出開展快堆起步工作的決策是正當的。
可以預期,今後相當長的時期人類仍將利用裂變能。
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