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一、氦3是核聚变反应的理想燃料吗?

多次在媒体上看见报道:“月球表面土壤中富含大量的氦3,初步估计有上百万吨。作为核聚变中必不可少、安全的核聚变燃料,氦3在地球上分布极少。在核聚变发电商业化的前提下,如果能够解决将氦3运回地球这一问题,8吨的氦3可解决全中国一年的能源供应总量。月球上百万吨的氦3资源为全人类提供几千年的能源没有问题。由此得出结论:月球是解决地球能源危机的理想之地。”。似乎,3俨然成了我们探测月球的一个理所当然的科学目标。

然而,氦3是核聚变中必不可少、安全的燃料吗?氦3是核聚变反应的理想燃料吗?

众所周知,可能的核聚变反应主要有以下几种:

D+D3He(0.82 MeV)+n(2.45 Mev)

D+DT(1.01 MeV)+p(3.03 Mev)

D+T4He(3.52 MeV)+p(14.06 Mev)

D+3He4He(3.67 MeV)+n(14.67 Mev)

-氚反应的生成物是氦4和中子。因为中子不带电,它很容易直接作用于原子核发生核反应,从而改变材料的化学成分,导致分子断裂。中子弹就是用这个原理,号称“只杀人不拆房子”。在反应堆中人们一般用重水或者石墨等材料来防护中子,可以将它的“直接伤害降低到很低的程度。聚变反应中子的主要麻烦在于中子可以跟反应堆的壁材料发生核反应,用一段时间后壁材料就需更换,换下来的壁材料一般都具有放射性,成了核废料。

-3反应的产物全部是带电粒子,可以通过磁场加以约束,对反应堆材料没有伤害,被看成是干净的聚变反应(当然,其中既然有氘,氘氘反应也会产生中子,但这部分中子的量很小)。因此人们觉得,似乎,氦3才是理想、安全的核聚变燃料,再加之地球上氦-3储量极少,而月球探测表明,月球上氦-3储量估计在100万吨以上(http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E6%B0%A6-3)。似乎,月球上的氦-3就是人类正在寻找的下一代理想能源!

众所周知,原子核的库伦斥力的作用使得原子核必须具备足够动能才能靠近到核力能够发生作用的距离内。核电荷越多,库伦斥力越大,原子核靠近所需的动能也越大,即反应截面越小。在核电荷数相同的情况下,质量越大,反应截面越大。理论计算表明,氘-氚聚变反应截面比氘-氘聚变反应大约100倍,比氘-3的聚变反应截面大几十倍。在诸如Tokamak装置中,如果约束时间大于1秒以上、聚变等离子体粒子数密度为每立方米1020个的话,要达到核聚变的劳森判据对于氘-氚等离子体所需的温度大约为几亿度(这是目前人们已经实现的),而氘-3等离子体的温度则需要超过百亿度(这么高的温度对于目前及可预见将来几乎都是不可想象的)!因此,无论是目前正在运行中的Tokamak装置(如欧洲JET、日本JT-60U、中国HL-2A等),还是正在通过国际合作联合研制的ITER,甚至激光核聚变装置如美国NOVA、中国神光系列等,它们的目标都是氘-氚聚变,而非氘-3聚变!以氦3为聚变燃料,在可预见的将来几乎都是不现实的。

二、受控核聚变的燃料是什么?

将来我们能够实现的聚变反应不是氘-3聚变,而是-氚聚变!氘可以从海水中提取,按重量计算,重水占海水的6700分之一,储量非常巨大,据估计,如果全部用于未来的氘-氚聚变反应发电的话,可够全球使用10亿年!相对人类历史来说,几乎是用之不尽的。

那么氚从何而来呢?氚是一种不稳定同位素,容易发生下列β衰变生成氦3及一个电子加一个反中微子:T3He+e+νe,半衰期为12.43年。因此地球上几乎没有天然氚的存在。不过,我们可以通过人工方法来获得:

6Li+nT+4He+4.80 MeV

7Li+n(2.5MeV)T+4He+n

前一个反应中只需热中子就可以发生,生成氚并放出4.80 MeV能量,后一个反应是吸能的,需要高能中子,生成氚的同时并放出一个热中子。上述反应完成后,利用热扩散法分离使氚富集,即可逐步得到纯度很高的氚。

因此,氘-氚聚变反应的另一个主要燃料实际上是!在自然界中,锂有两种同位素:6Li7Li,其相对丰度分别为7.42%92.58%。锂在地壳中平均含量为65ppm,主要存在于锂辉石、锂云母、透锂长石和磷铝石,以及盐湖卤水中的碳酸锂中,上述矿物统称锂矿。2002年全球已查明的锂矿资源量为1200万吨左右,如果全部用于氘-氚聚变发电用,则可供全球使用一万年左右。这些锂矿资源中,玻利维亚占540万吨、智利300万吨、中国110万吨、巴西91万吨。日本自己几乎没有锂矿资源,每年从国际市场进口大约一万吨左右。相对来说,中国的锂矿资源并不丰富,保护我们的锂矿资源实际上远比到月球上去勘探氦3更重要!

三、实现受控核聚变的主要难点在哪里?

虽然快中子对聚变反应堆是一个重要挑战,但是人们已能通过各种精巧的设计,将中子对反应堆的伤害降低到越来越低的程度(例如,主要由中国主导提出的聚变-裂变混合堆概念,让铀238吸收聚变反应产生的快中子,生成容易被裂变堆利用的钚239,这不但可以大部分地解决聚变中子问题,还可以处理由核裂变堆产生的核废料)。

事实上,现在受控核聚变最困难的问题并不是中子问题,而是对等离子体中各种不稳定性的控制问题,即如何避免大破裂(Disruption)的发生?由于等离子体是一个高度复杂、极端脆弱的多体系统,其中不但包含电磁相互作用、各种波粒相互作用,同时还有非线性的湍流问题以及由湍流引起的各种相关耦合。掌握这其中的规律,不但需要对燃烧等离子体进行反复实验研究(需要大量经费投入),同时在等离子体理论研究方面也需要重大突破(这就需要大量天才学者的智慧了)。

如果问20世纪人类取得的重大科学突破是量子力学和相对论的话,那么21世纪应该努力的方向在哪里呢?是“两暗一黑”吗?我觉得不是,因为这些问题离人类实在是太遥远了。人类现在所面临最紧迫的问题一个是能源,另一个是环境,而环境也与能源的使用密切关联,也就是说最最紧迫的问题是能源!太阳能、风能、生物质能等几乎都不可能取代受控核聚变能的地位的。所以我觉得21世纪人类在科学上最应该努力的方向是非线性等离子体物理,只有找到如何避免等离子体大破裂(Disruption)的理论和方法,才能实现真正的受控核聚变发电,人类才能有效地解决能源、环境、交通、居住、食品等一系列社会发展的大问题!而且该方向上所取得的任何进展,几乎都可以用于对现代天体物理中的许多现象(如太阳耀斑爆发的触发机制等)的解释,对科学的推动都将是大范围的!

四、其他核聚变途径——低温核聚变

11989年电化学实验中的低温核聚变

1989年,犹他大学化学家SPonsM. Fleischmann宣称在以铂为正电极,钯为负电极的电解槽中电解重水时,当氘在钯极上积累到足够浓度后,产生了氘-氘聚变反应,证据是观察到输出热能大于输入能量,无法用化学反应能来解释。同时,杨伯翰大学的物理学家SJones也进行了两年类似研究,他探测的是中子,发现有少量略高于本底的中子信号,猜测可能是氘-氘聚变的产物。但是Jones没有看到多余热能释放。当Jones得知P-F的研究后,建议两组协作。PonsFleischmann不愿意,仅同意两组同时将研究结果送英国《自然》杂志。选定1989324投稿,犹他组却于321提前召开新闻发布会,宣布了这一重大发现──室温核聚变。犹他大学校方解释提前召开新闻发布会是为了保护可能获得的专利发明权。《自然》杂志没有接受犹他组的文章,因为审稿人要求提供实验的细节与对比实验,而后者拒绝了。

世界各地著名实验室也都争先重复该项实验。早期宣布的结果往往耸人听闻,矛盾百出。有的声称只发现大量的热,有的则说只测到中子。乔治亚技术研究所先是报道测到了大量中子,后来又说他们的中子探测器竟然对温度敏感,最后撤回了报告。另外一些实验室,如CaltechMITYaleBrookhavenOakRidge等则根本就没有发现有异常中子及热能产生。英国核聚变研究中心Harwell实验室在M. Fleischmann的通力合作下,花费三个月时间,耗资50万美元重复犹他组的实验,实验中选用了8种不同类型的钯电极,没有看到任何氘-氘聚变的产物,包括3He4He3T,中子以及热能的释放。几星期后,美国能源部的一个专门委员会建议不再资助冷聚变项目。19909月,犹他大学决定审查庞斯的工作并宣布关闭该校的冷核聚变研究所。

美国物理学会198910月全文发表了Langmuir的报告,指出P-F事件带有很强的病态科学的特征:犹他组的发现不是按照正常提送科学论文的规则,而是一开始就诉诸新闻界,从而在整个社会形成了一种心理压力;PonsFleischmann始终拒绝详尽公布实验的细节,在正式学术会议上,有人质疑他们是否做了纯水的对比实验时,他们却公开拒绝回答这类问题;Pons19899月在日本对记者关于实验条件及实验结果的解释提出疑问和批评时,强调说:对于不愿意相信的人们,提出什么数据材料也没有意义。把一个科学实验事实必须具有的客观可重复性变成了一个信仰问题!这还是科学吗?

好像事情并未结束,不断有人继续探索冷核聚变的可能性。MIT的哈格斯坦教授一直在进行冷核聚变研究;波特兰州立大学的达西教授不仅自己相信冷核聚变的存在,还培养了一群学生继续这项研究;意大利的奥古斯都-蒙梯大学在重复冷核聚变实验中还取得了不小进展;德国、日本、以色列等国的科学家也在继续这项实验,他们甚至联合起来,成立了一个“国际冷聚变科学协会(ICCF)”,每隔一年半组织一次学术研讨会。互联网上,冷核聚变的专门网站LENR-CANR.org的数据这些年成倍增长,全球冷核聚变研究者在此发表研究结果。

2、气泡中声空化实验中的低温核聚变

20世纪30年代,德国科学家发现,当声波穿过液体时,如果声音足够强,在适当频率将产生声空化现象:在液体中产生细小气泡,气泡随即坍塌为一个非常小的体积,内部的温度可超过10万摄氏度,并发出瞬间闪光。这种现象称为“声致发光”。产生的气泡越大,坍塌后的温度就越高——甚至可高达1000万度,足以引发核聚变反应。200238《科学》杂志报道,美国橡树岭国家实验室的科学家塔利亚克汉用氘化丙酮作为实验材料,用中子脉冲轰击丙酮液,使其内部产生了微小气泡,并利用声波促使这些气泡保持快速而稳定增长。当声压达到一定值时,丙酮液体中这些微小气泡便迅速膨胀后突然崩溃,产生千万摄氏度的高温与局部高压,同时伴有强大的冲击波、闪光以及巨大能量的产生,这种状态大约持续了1微微秒,他们判断很可能发生了核聚变反应。这一研究成果公布后,立刻引发了科学界的广泛争论。

然而,论文提交后,他们在重复实验中并未能获得能量为2.45MeV的中子,因而对上述研究成果提出质疑。如果两个氘原子发生核聚变,那么将产生氦-3原子和能量为2.45MeV的中子,或者产生氚原子和能量3.02MeV的质子。质子会很快被丙酮液体吸收,因此能探测到的就是2.45MeV的中子。塔利亚克汉在论文中认为,他们在使用闪烁计数器时探测到了这个能量的中子,而且事后在丙酮中也发现有氚含量的升高。

塔利亚克汉实验小组自得到美国高级计划研究局资助后,使用脉冲器件公司研发的改进设备进行了更为精确的试验,从而给出了进一步的证据。该实验结果发表在2005年《物理评论E》上。美国国家物理声学中心主任巴斯说:“塔利亚克汉获得的新证据非常、非常令人印象深刻。”但仍有物理学家对塔利亚克汉的最新实验表示怀疑。加州大学洛杉矶分校的普特曼说:“某些新的数据相当令人激动,但在没有其他独立实验证实他的实验结果前,我仍将持怀疑态度。”

新一轮实验中,塔利亚克汉小组用灵敏度极高的设备,可探测到更多聚变迹象——氚和中子。新实验还增加了一个2002年没有的控制实验。过去大部分气泡核聚变实验用的都是直径为2英寸的玻璃圆球或圆柱。脉冲器件公司为新实验提供了直径为9.5英寸的铝球,其外壁可承受1000个大气压。普通的声致发光,仅在1-2个大气压下,就产生大量的能量,如果产生的气泡越大,那么它坍塌后的温度就越高。如果在1000个大气压下,气泡内将有更多的气体达到聚变临界条件。

3η子催化低温核聚变

η子是一种质量比电子重200多倍的带负电的轻子,不参与强相互作用,因此它能穿透很厚的物质层不发生核作用。同时η子也是不稳定的,会自发衰变,平均寿命为2.2×10-6 s。除质量和稳定性这两项性质与电子不同外,其他方面与电子几乎完全相同。19461948年间我国物理学家张文裕在实验中发现,当η子在液氢中慢化至能量只有几个eV时,受原核正电荷的吸引,极易被俘获,从而取代原子中的电子而形成η子型氘原子和η子型氚原子,国际上称之“张原子”。由两个这样的张原子构成的分子即为η子型分子。正是因为η子比电子的质量大200多倍,在由η子氘原子和η子型氚原子组成的η子型分子中,两个核间的距离要比普通分子小得多,从而使核聚变反应的几率大约可提高80多个数量级,而且受η子的影响,核的稳定性很也大大降低,这又会进一步提高发生聚反应的几率。具体反应过程:把高能质子(能量在290 MeV以上)或一定能量的中子注人氢气或液氢中,就会产生π介子,π介子进一步衰变即可生成η子;η子取代原子中的电子而形成η子型原子;由η子型原子生成η子型分子;在η子型分子中,两个原子核之间的距离比普通分子中的要小得多,因此很容易发生聚变反应,释放能量的同时也释放出η子,可以继续催化新一轮的核聚变反应,由此而形成类似于核裂变的链式反应过程。当η子与核聚变反应生成的离子粘合在一起形成η子型氦原子时,便再也无法催化核聚变反应了,从而退出链式反应过程。不过由于核聚变反应之后离子和η子都具有很高的能量,它们粘合在一起形成氦原子的几率一般很小。

由于η子的平均寿命仅为2×10-6 s左右,人们当初从理论上估算一个η子在其一生中最多仅能催化大约100次核聚变反应,所得到的总能量输出最多只有2 Gev,而用加速器产生一个η子大约需要10 GeV的能量输人,即输出能量不到输入能量的20%,而且这里还没有考虑能量转换过程中的各种损失。不过到上世纪80年代初,美国Los Alamos国家实验室在氘一氚混合体系中观察到每个η子催化的核聚变反应的平均次数达到150次以上,核聚变产额超过了当初的理论预期值。目前在美国、加拿大和日本的一些实验室里还在继续进行这类研究,期望能进一步提高核聚变的产额。

拿中子诱发核裂变反应来做一个对比是很有意思的.我们知道自由中子的平均寿命很短,大约在l5 min,但是在原子核中的中子却可以长期存在,而且用中子诱发的核裂变反应堆也可以长年累月地运行.η子的寿命很短,与中子的情况对比,我们也可想象,如果η子也能进入到类似于中子在原子核中那样的系统中形成一种束缚态时,是不是也可以长期存在呢? 而且我们还可以设想每一次催化核聚变反应释放出来的η子也是一个新生的η子,它也可以重新开始对下一轮聚变反应进行催化,那么通过一定的链式过程,让这样的核聚变反应堆长年运行也就不难理解了,很明显,这种核聚变反应具有比常规核聚变反应多得多的优越性.

探索更有效的η子快速催化核聚变反应的途径,我们知道,当η子与α离子粘合形成η子型氦原子时,便无法再催化核聚变反应,从而退出催化核聚变反应过程,如果我们想办法用一定的磁场将核聚变反应产生的高能α离子分离出来,那么就有可能提高η子催化的核聚变产额,从系统中引出的高能α离子的能量也是可以利用的;探索以尽可能低的能量输入来获得大通量η子束流的有效途径;探索其他与η子具有类似性质带负电的粒子(例如介子等)催化核聚变反应的可能性.

理论计算表明,氘-氚聚变反应截面比氘-氘聚变反应大约100倍,比氘-氦3的聚变反应截面大几十倍。结果是,在诸如Tokamak装置中,如果约束时间大于1秒以上、聚变等离子体的密度为每立方米的粒子数为1020个的话,要达到聚变反应的劳森判据对于氘-氚等离子体所需的温度大约为几千万度到几亿度(这是目前人们已经能够实现的),而氘-氦3等离子体的温度则需要超过百亿度
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这段话存在严重的问题,所谓劳逊判据是指粒子密度与约束时间的乘积,表达为温度的函数,满足这个函数就意味着能量上的得失相当.这个函数若以曲线表示出来,则存在一个中间温度,使粒子密度与约束时间的乘积最低,通常这个中间温度远低于最大反应截面所对应的温度,以氘-氦3聚变为例,其最大反应截面对应的温度约为数十亿度,但其劳逊曲线对应的中间温度约为10几亿度,而文中所说的百亿度,不仅远远超过劳逊曲线的中间温度,也远远超过最大反应截面对应的温度,事实上,当温度超过中间温度时,为满足劳逊判据,粒子密度与约束时间的乘积反而会上升,这会使得加热和控制等离子体的难度加大,而当温度超过最大反应截面对应的温度时,连聚变反应的截面都会减小,因此文中所说的“百亿度”可谓是乱弹琴---其计算犯了两个错误:

一是计算劳逊判据时要根据“粒子密度*约束时间”与温度之间的函数关系确定中间温度,此温度对应了“粒子密度*约束时间”的最小值,而此文却将反应截面的最大值相差的倍数与反应温度相差的倍数等价起来,再用氘氚聚变的反应温度简单的乘以这个倍数,得出所谓的“百亿度”,事实上,此温度在氘-氦3聚变的劳逊曲线上对应的“粒子密度*约束时间”远高于最小值,甚至接近10^22个*秒/m^3,而以文中所言的“约束时间达1秒、粒子密度为10^20个每立方米、温度达百亿度”而论,是远远无法满足劳逊判据的

二是不同聚变反应有不同的劳逊判据
对氘-氦3聚变而言,其劳逊曲线的中间温度约为10几亿度,对应的“粒子密度*约束时间”的最小值虽未高出 1秒*10^20个/m^3 一个数量级,却也是数倍于它,也就是说,氘氚聚变的“约束时间1秒、粒子密度10^20个每立方米”是不能用在氘-氦3聚变上的,因为这两个值的乘积根本就没有落在氘-氦3聚变的劳逊曲线上,而是远远在其之下,若氘-氦3聚变等离子体的粒子密度与约束时间分别取这两个值,则不论温度如何变化,都无法满足劳逊判据,即永远处于得不偿失的状态,就算温度高达百亿度也没用.而此文却将氘氚聚变的“约束时间1秒、粒子密度10^20个每立方米”错误地套用在氘-氦3聚变上,并想当然地以为“密度、温度、约束时间”只是简单的互补关系,可以通过无限制的拔高温度来弥补“粒子密度*约束时间”的不足,殊不知等离子体温度一旦超过劳逊曲线的最低点对应的中间温度,“粒子密度*约束时间”反而会上升,也就是说,过高的温度不但无法弥补“粒子密度*约束时间”的不足,反而会要求它们达到更高的值,这样才能达到得失相当,即满足劳逊判据


最后,聚变三重积的确定是先根据反应性的最大值确定最佳运行温度(这个温度通常比劳逊曲线的中间温度还要低一些,因为考虑到最大聚变功率密度的获取),然后以这个温度为基准,根据劳逊曲线计算收支相抵时的粒子密度与约束时间的乘积,最后再统一成聚变三重积.实际上,当反应温度超过最佳温度时,反应性反而要降低(即聚变功率密度要下降)
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