科學家和工程師們正在開發(fā)一系列看起來渺茫，卻有望徹底解決能源危機的新技術。
利用原本危險的核廢料作燃料，建成一個核裂變反應堆——它先由激光驅動產生核聚變爆炸，再由爆炸觸發(fā)裂變反應，于是產生出一種新能量；而一種新的設備能將陽光和二氧化碳轉化為燃料，取代汽油。
一種將為制冷機帶來革命的磁體，以及能降低汽車油耗的記憶合金，將使能源利用率大幅提高。
也許這些新技術最終成功的可能性只有10%，但如果其中任何一種成為現(xiàn)實，能源利用率和安全水平就會得到極大提高。
許多人都在研究如何更有效地利用可再生能源及如何提高能源效率，這固然很好，然而，大多數(shù)研究成果可能只是對現(xiàn)有技術設備的一些有限改進。我們需要從根本上徹底改變能源開發(fā)和利用的現(xiàn)狀。
新反應堆以聚變觸發(fā)裂變：利用激光從核廢料中榨取電能
自然界中，太陽的光和熱源自核聚變；氫彈的能量也來自核聚變。物理學家和工程師數(shù)十年來也一直在努力研究如何通過核聚變發(fā)電。現(xiàn)在，研究人員能夠輕松制造出可控核聚變反應——只要讓氫原子核足夠猛烈地碰撞壓縮到一起，它們就會融合，并釋放出中子和能量。然而，要讓核聚變用于發(fā)電，就必須做到更高效，以使反應所釋放的能量大于觸發(fā)反應(被稱為“點火”)所需的能量，這是科學界的一道難題。
因此，美國利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置(National Ignition Facility)的科學家設計出一套新方案：用核聚變來驅動裂變，利用原子分裂產生的能量來驅動傳統(tǒng)核反應堆。該實驗室主任愛德華·摩西(Edward Moses)聲稱，利用這一機制運作的實驗性核電站有望在20年內建成。
根據利弗莫爾實驗室的構想，要先在一個反應室的內壁上排放一厚層鈾或其他核燃料，然后利用激光脈沖在反應室內觸發(fā)核聚變爆炸，放射出的中子轟擊到內壁上的核燃料后，會使其中的原子分裂。這可以將反應室的能量輸出提升3倍，甚至更多。
和平利用核聚變驅動裂變概念的提出，要追溯到上世紀50年代。當時，蘇聯(lián)的氫彈之父安德烈·薩哈羅夫(Andrei Sakharov)首次提出了這個設想。
既然大部分能量仍來自裂變，為什么不繼續(xù)使用傳統(tǒng)核電站，卻非要不厭其煩地研究由聚變來觸發(fā)呢？原因在于，裂變反應堆要依賴于鏈式反應，即裂變的原子釋放出的中子會觸發(fā)更多原子發(fā)生裂變。想要維持鏈式反應的進行，就必須用钚或濃縮鈾作為燃料，這兩種材料都能用于生產核武器。
而聚變—裂變混合反應堆是由聚變爆炸產生的中子觸發(fā)裂變反應，不再需要維持鏈式反應的進行。這樣的設計擴大了核燃料的選擇范圍，可以使用的燃料包括未濃縮的鈾、貧化鈾(來源豐富，濃縮鈾使用后的廢料)，甚至其他核反應堆產生的廢料——否則，這些廢料必須得貯存數(shù)千年，或者需要進行復雜和危險的再處理后，重新作為裂變電站的燃料。
另一個原因是燃耗。對傳統(tǒng)核反應堆而言，燃料使用到必須被更換之前，可裂變原子中僅有一小部分發(fā)生了裂變。摩西介紹說，而聚變—裂變反應堆能消耗掉核燃料的90%。因此，它的燃料需求量或許只是普通裂變反應堆的1/20。這種反應堆的使用壽命約為50年，其中最后十年被稱為“焚化”階段，在這一階段里，輸出電能逐漸減少，即使如此，它也能將約2 500千克的長半衰期核廢料消耗到只剩約100千克。
與此同時，研究人員也在進行基于磁控核聚變的聚變—裂變設計，這是可控核聚變的另一種方式，利用超強磁場來約束聚變反應。2009年，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的科學家提出了一個帶有緊湊型磁控核聚變觸發(fā)裝置的混合反應堆設計方案。中國的研究人員也正在評估關于優(yōu)化能量產生、傳統(tǒng)核反應堆燃料生產，以及利用核廢料發(fā)電的設計方案。
以任何形式利用核聚變產生能量，都是很超前的設想。即便是摩西的實驗室于今年成功實現(xiàn)點火，這種混合核電站的一些主要技術障礙依然存在。例如，微小的、精細加工制成的聚變靶丸要能以可接受的成本量產；還需要一系列未經檢驗的新技術，來保證點火頻率達到每秒10次(目前“國家點火裝置”在一天內命中靶丸的次數(shù)也沒幾次)。
制造混合反應堆，還需要一些在純聚變裝置中用不到的技術。具體來說，就是裂變燃料層，其中的燃料要能經受得住比傳統(tǒng)核反應堆中高得多的溫度，以及猛烈得多的中子轟擊。候選設計包括從固態(tài)的多層“卵石”狀核燃料，到液態(tài)的、含釷、鈾或钚的熔融鹽。
這無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)，但摩西已經設想好了一條雄心勃勃的研發(fā)路線來實現(xiàn)這個目標。雖然，他們實驗室的首要任務還是必須證明激光核聚變能夠點火成功。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
