聚变发电还有多远?


人类与能源

        对于我们这些生活在地球上的卑微生命来说,太阳是一切的源泉。我们崇拜太阳,依赖太阳。它给我们带来光明和温暖,辐照大地滋养万物,给我们带来食物,甚至我们呼吸的氧气。从物理的角度来说,太阳是地球上几乎一切活动的能量之源。这些能量来自于氢到氦的聚变。获取光明,获取温暖,获取能源是人类文明存在和发展的基本要求。人类文明诞生到现在,主要靠火来满足这一要求。从中国的燧人氏到西方的普罗米修斯,他们因为引来了火而被人们称道感激。但是他们引来的火并不是真正的太阳之火,而是化学之火。化学之火催生了人类文明,帮助我们走过石器时代,农业时代,工业时代,一直到现在的信息时代。我们今天的一切,几乎都离不开化学之火。可是,当人类发展到今天,成为地球上分布最广,生存能力最强的优势种类之后,对化学之火的依赖也深深改变和伤害了地球。从今往后的一两百年内,化学之火的大规模能源将逐渐用尽,可人类还需要生存,需要发展,这就需要找到新的火,新的能源。

        新能源包括可再生能源,和不可再生的核能。可再生能源在利用的时候有很多问题。核能虽然不可再生,但是总量巨大,其中聚变核能资源可以供人类以目前的能源消耗速度生活上百亿年。裂变核能因为安全性问题,在聚变核能大规模投入使用之前,是一个不得已的选择。人类要继续生存和发展,一定要掌握聚变核能。

变是怎么回事?

        对于自然界存在的所有的原子核,中等大小的铁镍等元素是最稳定的,所以轻的聚变成中等大小的或重的分裂成中等大小的,都要放出能量。同样重的东西,聚变反应放出的能量大约是化学反应的一千万倍。与燃煤相比,一座100万千瓦火力发电厂,一年约需要400万吨煤,产生约1000万吨二氧化碳,但是如果用聚变,假设发电效率相同,只需要不到300公斤氘氚,产生约200公斤氦(氘:又叫重氢,原子核中有一个质子和一个中子;氚:又叫超重氢,有一个质子和两个中子;氦:两个质子两个中子;氦3:两个质子一个中子)。海洋中的氘大概有40万亿吨,氚要靠锂6(约占自然界锂总量的7%)来生产,锂6在地壳中约有30万亿吨。长远来看,聚变可以只用氘做基本燃料,只需要源源不断地从水中把氘提取出来就行。

        氘氚反应是最容易实现的聚变反应,单位质量放出的能量差不多是最多的,所以目前寻求的聚变主要是氘氚聚变。氘氚聚变产生一个中子和一个氦原子,其中能量主要以中子的动能形式释放出来。高能中子的能量利用在技术上很困难。氘与氦3聚变反应产生一个氢和一个氦原子,放出的能量比氘氚还要多一点,但是它们反应的难度要大很多,而且氦3在地球上很少,也无法方便地生产。氘氘反应更难,放出的能量也少很多。

        地球大气中大约有4万吨氦3。据估计,月球表面约有数百万吨氦3,如果用来提供人类的所有能源,约够数千年之用。这是探月计划经常被拿来证明探月必要性的一个说法。要知道,月球表面还有几亿亿吨的氧。要把含量只有亿分之一,一旦逸出土壤就会逃逸到太空中(月球表面白天的温度有100多摄氏度,对应氦3的热速度约为每秒1500米,而月球表面的逃逸速度只有每秒2400米,考虑到热速度的麦克斯韦分布,以气体形式存在在月球表面的氦3会很快跑光。月球连氮、二氧化碳这样重的分子都保持不住。),又不参加化学反应的氦3收集起来,长远来看也非常困难。如果氘-氦3反应能够很好实现,完全可以直接在核反应堆中直接生产氚,然后由氚衰变生产氦3。这一方案不需要预先解决任何困难。

        关于聚变的研究有3个方面要分清楚。一是聚变的研究,即核聚变反应本身,研究的是能量释放量,反应截面等内容,这方面的研究很早就做得差不多了。二是约束聚变的研究,研究怎么把高温的聚变等离子体约束住,现在说的聚变的研究一般是这个意思,下面会解释为什么聚变需要约束,约束为什么难。三是聚变能源的研究,也就是聚变能利用,主要是发电,这是聚变研究的最终目标。

        约束聚变要求将温度为1亿摄氏度左右的等离子体维持一段时间,聚变产生能量。由于聚变速度和等离子体密度的平方成正比,所以一种方案是将等离子密度提到非常高,让聚变瞬间完成,这就是惯性约束聚变。另一种方案是将低密度的等离子体维持很长时间,这是磁约束聚变的基本思路。

聚变方案和研究简史

        早在1932年,卢瑟福及其合作者就通过氘氘聚变发现了氚和氦3。虽然这一反应放出的能量是反应前粒子能量的很多倍,但卢瑟福本人对利用聚变能量的说法嗤之以鼻。原因是加速很多粒子才能产生一次聚变反应,消耗的能量远大于获得的能量。

        在这一发现的基础上,1939年德国科学家汉斯·贝特发现了太阳的能量来源,因此获得了1967年诺贝尔物理奖。

上世纪40和50年代,随着原子弹研究的成功,1952年美国爆炸了第一个氢弹,实现了聚变能量的释放。那时,核裂变发现的时间也不长,但不仅原子弹成功了,核电站也将很快投入应用。因此大家乐观地相信,可控聚变也应该会很快实现。

        1954—1958年,第一批磁约束聚变装置投入运行,发现聚变很难实现。1958年,苏联、美国、英国相继解密可控聚变研究项目,开始寻求国际合作,并在日内瓦召开了和平原子能会议。国际上把这次会议作为可控聚变研究的开始。20世纪80年代,一批主力研究装置,如美国的TFTR,DⅢ-D欧洲的JET,日本的JT-60,法国的Tore Supra等,相继投入使用,磁约束聚变研究取得大量进展。90年代,磁约束装置实现了高聚变输出功率。

        在这些研究的基础上,苏联、美国、欧盟和日本开始合作设计大型超导聚变装置ITER(国际热核试验堆,International Thermonuclear Experimental Reactor)。2005年,中、印、韩三国加入ITER计划。ITER成为磁约束聚变研究的主线。

        20世纪60年代,惯性约束聚变的概念也提出了,但到了70年代激光能量达到一定程度之后,激光聚变的概念才开始走向前台。美国的海军研究实验室(Naval Research Laboratory,NRL)和能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)分别采用氟化氪准分子激光器和钕玻璃固体激光器作为驱动进行了长期的研究。经过20多年理论和实验技术的积累,1997年LLNL开始建造以实现能量增益为目标的大型激光装置———国家点火设施(National Ignition Facility,NIF)。NIF于2009年建成,预计2012年底实现能量增益目标。惯性约束还有高强电脉冲驱动方案(Z箍缩),加速器重离子驱动方案(Heavy Ion Fusion,HIF)等。

聚变为什么那么难?

        聚变需要的条件从能量上来看,只需要10keV(keV即千电子伏,一个电子经过1000伏特电势差得到的能量),也就是1万电子伏,与一般高能实验中动辄GeV(10亿电子伏),TeV(万亿电子伏)相比,是一个很低的能量。要知道,普通骨干输电线上面的电压都是数十万伏。问题在于,两个氘氚原子核相对能量达到1万电子伏左右后,虽然可以发生核聚变,但可能性却很小,要碰撞成千上万次才可以聚变一次。聚变一次放出1700万电子伏能量,还不够加速那么多的氘氚原子核所需能量。因此,最好加速一次可以碰撞很多次,也就是要把这些1万电子伏能量的原子核约束起来,保持在一个区域内不停地互相碰撞。这就是“磁约束聚变”、“惯性约束聚变”里面“聚变”前面要加“约束”的原因。没有约束的聚变在能量上是亏损的。

1万电子伏能量对应的温度是1亿多摄氏度。

        这一温度下氘氚是完全电离的,形成等离子体,能量很高,如果不加约束就会以几百公里每秒的速度飞散开。作为比较,高能炸药爆炸只能产生几公里每秒的爆轰波。带电粒子在磁场里面会作回旋运动,所以加磁场可以约束住高温等离子体。惯性约束其实没有约束,只是让聚变燃料同时向心高速运动(内爆),靠燃料的惯性猛烈挤到一起,达到高温高密,在飞散开前,相当部分燃料聚变,释放能量。

        1亿摄氏度是个非常高的温度。太阳的表面只有5500摄氏度,太阳核心也只有1 500万摄氏度。如果太阳表面达到1亿摄氏度的话,直径只需要5米就可以辐射出现在那么多的能量,这个球的体积只有太阳的20亿亿亿分之一,比太阳变成中子星后还要小100亿倍。产生和维持这么高的温度都极端困难。磁约束用大约相当于地球磁场强度10万倍的磁场将密度不到空气百万分之一的氘氚等离子体约束在几百立方米的空间内,而惯性约束需要用大约1万亿大气压将几毫克的氘氚压缩到其固体密度的1 000倍。磁约束目前能在秒量级的时间内将等离子体约束住,时间长的话,等离子体密度和温度都要很低才行。惯性约束目前只能用1兆焦耳左右的激光能量产生1000焦耳左右的聚变能量。要实现工程能量增益,聚变输出能量必须再提高100万倍。预计2012年能够实现激光能量增益,也就是比目前提高1 000倍左右的聚变能量输出。理论上,提高1000倍能量输出并没有我们想象的那样难,但也需要实验证明。

        高的温度意味着很高的内能。很高的内能意味着将出现各种各样的能量丧失机制。两种聚变方式都要解决各种各样的不稳定性问题。磁约束中的不稳定性控制不住的话,等离子会撞上容器,损坏设备。惯性约束中的不稳定性更不好控制,结果是能量无法集中,温度升不到点火温度,但不会产生破坏。各种不稳定性性质和来源都不同。举个例子,说明不稳定性如何难以控制。我们拿一根小管子一半浸入水中,用手指堵住上面开口,将管子提出水面,如果管子半径小,水能够保持在管子里面。如果用稍微大一点的管子,水还是能留在管内,如果我们不停增大管子半径,如果没有任何扰动,原则上大管子里面的水应该像小管子里面一样,被大气压支持在管内。可实际上,如果管子大到一定程度,就不能像小管那样,让水待在里面。因为只要水面有一点点扰动,它就会流出来。有人可能会认为这是表面张力引起的,实际不是。在下端为凸表面的情况下,表面张力能够维持较小高度的水柱。松开手指就会发现这一点。水管粗了之后,表面张力的影响就可以忽略了。

        除了不稳定性外,还有很多技术上的困难。比如磁约束中,高温等离子会从容器壁上打下一些碎片,一两毫克大小的碎片进入中心等离子体就会完全破坏等离子体,而根据估计,ITER大小的装置一年内会打下几百公斤容器壁材料,足以产生几亿次破坏。

        正常运行的聚变堆将有很多中子,这些中子将活化和嬗变部分材料。产生约束磁场的线圈是超导的,必须冷却到热力学温度4开左右,超导体对中子的加热和活化都非常敏感。如何在高中子通量中保护超导体是一个难题。氘氚聚变释放的能量主要体现为中子的动能,高能中子对壁的破坏很大,现在还没有任何一种材料可以承受商用聚变堆中子照射一年以上。氢和氦在材料中的沉积也将导致材料的破坏。这些问题现在还无法解决。由于还没有一个运行的聚变堆,聚变堆究竟能不能稳定运行,装置材料可以支撑多久,都还不知道。另外,由于目前条件下超导材料能产生的磁场是有限的,能约束的等离子体密度就受到限制,聚变堆要提高功率只能增大体积,也就是增大装置尺寸,这样装置的成本就非常高。这也是ITER计划需要国际合作的原因。

        惯性聚变也有自己的问题。主要的有激光产生效率过低,光学器件损伤,重复频率低等。在美国国家点火装置(NIF)中,一次试验需要消耗电容器中存储的400兆焦尔能量,这些能量转换成4兆焦尔的红外激光,倍频之后变成1。6兆焦的紫外激光。也就是说,从电能到激光的效率只有0。4%。这样,激光到聚变的功率增益至少要达到250倍,考虑发电效率,要750倍左右,装置才能基本平衡自己的能量消耗。而目前这个增益只有千分之一。激光聚变中的精密光学器件非常昂贵,高能量激光的通过,实验产生的小爆炸都容易损坏这些器件。

        不稳定性控制问题是基本科学问题,不解决就无法有效地约束等离子体。材料问题是一个严峻的挑战,是聚变发电必须解决的问题。还有其它各种各样的技术挑战都需要找到解决办法,即使已经有技术路线,但现在还没有做出来。虽然比传统核能好得多,但聚变毕竟还是要涉及放射性,辐射环境给聚变制造了另一个大障碍。另外成本也是一个大问题,所有这些问题都使聚变研究困难重重。

聚变发电究竟还有多远?

        无论是磁约束还是惯性约束,应该说,从理论的角度说,聚变发电是可以实现的,主要的技术障碍也在逐项消除。目前除了第一壁材料问题还不太确定之外,以前认为很难解决的一些问题,比如不稳定性问题,磁约束中的电流驱动问题,加热问题,等,原则上都不应该有问题,只是需要在计划的实验上演示验证。实际上,ITER项目的正式目标就是为了示范托卡马克磁约束方案的科学和技术可行性。

        磁约束聚变的方案有很多种,但目前主要集中在ITER相关的研究中。这一项目在以后二三十年内的研究路线图已经确定,根据路线图,到2019年11月,装置基本建成,可以产生和约束高密度的等离子体,各项系统可以工作,然后安装聚变反应条件下的冷却和真空系统,到2023年可以开始等离子实验,2027年开始短脉冲氘氚燃烧,2028年实现长脉冲全功率输出氘氚燃烧。也就是说,最迟到2030年左右,应该能够按计划实现磁约束聚变。但是要注意,ITER只是一个研究堆,尚不能发电。该装置没有设计发电子系统,也加不上去。商业发电不在ITER研究目标之内。各国将自行设计和建造自己的聚变发电装置。即使一切进展顺利,而且材料问题也得到解决,考虑到系统的复杂性和装置的建设周期,估计也还需要20年时间才能建成能稳定运行的聚变电站。而经济性要达到可以接受的程度,并大规模取代其它能源,可能还需要二三十年时间。也就是说,大概还要60到70年时间,磁约束聚变能源才能大规模进入社会。如果再保守一点,从磁约束的角度来看,大致需要100年时间,到下世纪初才能进入聚变能源时代。

        惯性约束聚变方案目前还有好几种在竞争。由于惯性约束聚变相关研究,比如高功率脉冲技术,强激光技术,内爆研究,高温高密等离子体性质,高能量密度物理研究等都与军事关系密切,该领域的研究细节很多是保密的,相关研究单位也是国防研究单位。但在聚变能源研究方面,主要研究方案和研究结果还是很公开。目前走在最前面的是前面说过的美国NIF装置。该装置投入的人力物力,能达到激光能量和聚变输出都是全世界最高的。如果到2012年底,NIF如期实现1兆焦尔聚变能量输出,就从原理上证明了激光惯性聚变的可行性。下面只需要提高一些激光能量,改善靶丸设计,就可以将增益再提高两到三个量级,达到聚变发电需要的增益水平。

        NIF团队对计划目标相当自信。但由于NIF也是一个研究装置,不可能实现发电,甚至不可能实现工程增益能量输出(数百兆焦尔),因为这样将破坏昂贵的实验装置。

        NIF的聚变发电计划LIFE(Laser Inertia Fusion Energy,激光惯性聚变能源)自2008年首次在国际原子能机构举办的第22届聚变能源大会上提出以来,已经进入细化设计和关键技术验证阶段,但基本路线从最初的混合堆方案转向以纯聚变方案为主。在LIFE中,激光聚变一直备受质疑的关键技术难点,比如激光重复频率问题,靶丸结构和生产问题,末端光学器件的破坏问题,反应室清理问题,等等,都有了很好的考虑。LIFE纯聚变方案中,反应室是模块化的,可以现场生产组装,整体更换,从而大大降低了对第一壁材料的要求。另外,反应室充有低压气体,反应室第一壁有一定的保护。从发电成本来看,装置功率越大,经济性越好。如果聚变堆发电功率为100万千瓦,则每度电成本为6美分,约合人民币4毛钱,与其它常规能源差不多。

        混合堆方案是指用聚变产生的高能中子照射裂变材料(主要是常规裂变反应堆不能直接燃烧的铀238和钍232),引起它们裂变,将总能量输出放大数倍,从而降低聚变部分的增益要求。聚变-裂变混合堆对聚变功率输出的要求比纯聚变堆低,所以大家一度认为混合堆更容易实现,是聚变能源应用的第一步。但考虑到混合堆百分之八十以上的能源来自裂变,而裂变(即常规核能)的风险是大家非常忌讳的一个问题,混合堆由于其复杂性和工作原理,放射性的风险更难控制,一旦发生事故,危害比常规核能电站更大。混合堆的高放射性运行环境意味着系统一旦运行,就不可能维护。此外,困扰常规核能的衰变热问题,核扩散问题,都同样存在,甚至更严重。虽然还有不少人在研究混合堆,但从国际上主流研究机构的动向来看,该方案实际上不太可能付诸实施。

        NIF采用的是间接驱动,即用激光产生X光压缩靶丸内爆。美国也有用氟化氪准分子激光直接驱动的惯性聚变能源方案,其中的激光效率、驱动效率都要高一些。如果采用高增益的冲击点火方案,经济性更好。直接驱动对激光的对称性要求很高,这是该方案尚需解决的一个问题。此外,还有用脉冲电流驱动的箍缩内爆方案,重离子驱动方案等。脉冲电流驱动可以有很高的驱动能量,采用柱形内爆方案也可以得到比较高的驱动效率。

        美国LLNL的科学家们认为他们的LIFE方案在10到20年内可以实现商业示范发电。相比而言,欧洲和日本的惯性约束聚变方案要保守一些,但也将计划定在20到30年之间。个人认为,这一时间框架可能是乐观了一点。再加上10年到20年做成倒是可能性很大。

        虽然看起来现在离聚变发电距离还很远,但是与20年前相比,现在的很多成就也是当时难以想象的,例如激光能量,激光校准,靶丸生产等。举一个靶丸跟踪定位的例子。激光聚变要求靶丸定位非常精确,允许的误差只有几个微米。但是靶丸要通过一支注入枪高速射入反应室。当靶丸正好走到激光汇聚点的时候,超高功率激光脉冲到达,点燃靶丸。这是非常难实现的,精心设计的注入枪只能达到几毫米的控制精度,比允许值大一千倍。但美国通用原子能公司(General Atomics,GA)设计了一套弹丸注入与跟踪修正技术,用一套弱激光跟踪和调整靶丸运行轨迹,目前可以将弹丸定位在28微米误差范围内。20年后,激光聚变能不能发电,很难说。但是无疑我们会离目标更近。

       磁约束聚变由于装置更加复杂,成本更高,需要找到紧贴高温等离子并承受高通量高能中子轰击的材料,需要的时间应该要多一些,究竟哪一种方案能够最先获得成功,现在还很难说。目前除了主流的几种方案外,还有几十种聚变能源方案在研究,甚至一种新的方案出现并获得成功的可能性也是有的,但可能性最大的无疑是上面说的几种。

未来会怎么样?

         从前面说到的聚变的困难,和现在研究装置的实际情况,都可以预计聚变装置很大,很复杂。这就意味着聚变装置投入大,周期长。再考虑到还有很多技术没有验证,也还有一些问题没有解决,因此指望聚变发电短期内实现并担当世界能源重任是不现实的。但到目前为止,除了磁约束第一壁材料问题尚需明确之外,其它各种关键技术已经基本明朗。如果能够按照路线图顺利发展,20到30年内能够实现聚变发电。如果再保守一些,无论惯性约束还是磁约束,40到50年内实现聚变发电的可能性非常大,80到100年内应该能够大规模普及,再过50到100年成为社会的主要能量来源。

         聚变能源需要建立一整套新的工业和技术体系,如高功率高重复频率激光器,大型超导线圈,抗极端辐照的材料,氚生产等,也需要培养大量相关人才,这些都需要时间。我们可能会认为40年50年很长,但对于人类历史来说,一两百年也只是短暂的一瞬。我们用火已经有几十万年了,煤、石油、天然气等化石能源的使用有一千多年历史,而大规模开发利用,成为社会主要能量来源只有两三百年。如果花一两百年过渡到聚变能源,可以保证人类以后非常长时间的生存和发展,付出再多的努力,都是值得的。当然,目前的能源形势已经很严峻了,那么这一两百年怎么办?一两百年内,世界的发展也不是很好预测,但是如果人类有足够的智慧,能够控制自身整体的行为,化石能源加可再生能源还是足够支持我们度过这段时间的。实在不行,如果我们愿意冒一点风险,在控制风险的前提下,还可以大量利用丰富的裂变核能。

        一两百年内能进入聚变能源时代,是非常了不起的成就。这项成就的意义不仅仅是能源得到保障,而在于为人类下一次革命打下了基础。我们用火,得到了大量食物,拓展了生存空间,用化石能源拓展了自己的能力,完成了工业化、信息化。而一旦实现了聚变,再结合现在已经基本拥有的一些技术,我们可以获得独立于自然的生存能力。我们将能抵御大规模自然灾难,将能迈出地球,走向宇宙空间。地球历史上几十、几百、几千万年一轮回的大规模灾难曾经一遍又一遍地大规模灭绝地球的生命,这些将不再威胁人类整体的生存。

        我们常把聚变堆比喻为人造太阳,主要是从它的工作原理来说的。这里其实隐含着一层更深刻的意义。因为我们也知道,太阳是生命之源,是万物之父,如果说地球是万物之母的话。如果我们造出了太阳,我们人类———作为地球生命的代表,就终于长大了、成熟了,可以离开父母,可以自立、自生、繁衍,去开拓新的天地。

 

转自《大学物理》雷奕安        

 



(投稿日期:2013-5-28 19:08:36)            返回主页    关闭窗口