孕育中的俄罗斯爆燃式聚变反应堆

1954年，世界上第一颗实用型氢弹在美国比基尼岛试验成功，从66时起，受控核聚变就成了各国核物理学家研究的共同课题，因为核聚变能将是人类未来唯一清洁、有效、且又取之不尽的能源。核聚变反匝燃料是氢的同位素氘、氚及惰性气体3He(氦—3)。氘在地球上蕴藏极其丰富，据测，每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。一座100万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304千克。核聚变使用的氘、氚发生反应后产生惰性气体氦，不存在任何临界事故和放射性物质泄露。据统计，存在于天然海水中的氘有45亿吨，把海水通过核聚变转化为能源，按目前世界能源消耗水平，可供人类使用上亿年，所以，尽快让核聚变能造福人类，以替补石油、天然气等能源耗竭的问题就显得更加紧迫。

　　研究路漫漫

　　获得聚变能源最方便的途径，是将大量的聚变材料在极短的时间内加热到1-2亿℃的高温。除了太阳表面和核裂变爆炸时能产生如此之高的温度外，核物理学家们也已在等离子体中达到了这个温度。如1991年11月9日，欧洲联合环形聚变反应堆在1．8秒内生成了比太阳内部温度还高10倍的高温，成功地实现了核聚变反应。不过，世上没有任何实物容器能经受住这样的高温，所以，物理学家们就采用由封闭磁场组成的“容器”，来约束电离了的等离子体，此方法称为磁约束。

　　20世纪50年代初期，苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出托卡马克的概念。托卡马克是磁线圈圆环室的俄文缩写，又称环流器。

　　1954年，苏联库尔恰托夫原子能研究所建成了第一个托卡马克装置，实现了个别的聚变反应，但聚变反应产生的能量极微。直到1970年，苏联在另一个托卡马克装置上，才有可以察觉到的聚变能量输出。在这座装置上，为了实现聚变要消耗10亿分能量，才得到1分聚变能量。又过了10年，在美国和德国的两台托卡马克装置上：实现了每消耗10分能量可得到2分的聚变能量。1982年，美国为实现点火而设计的大型托卡马克装置在普林斯顿大学建成。此后，1983年6月英国建成比上述装置更大的欧洲联合环形聚变反应堆。1985年，日本、苏联也相继建成了大型托卡马克装置。1984年9月，我国第一台中型聚变装置——中国环流器一号在四川乐山市郊建成。另外，我国总投资达1．65亿元的全超导托卡马克HT—7U也于1998年开始建设。

　　虽然经过牛个多世纪的研究，各种托卡马克装置纷纷问世，但到目前为止，受控聚变反应堆还没有一个取得成功，以致有的科学家认为，现有的热核反应装置根本不可能在短期内实现持续产生的聚变能，换句话说，不能产生生产效益。美国国会也在1996年将用于核聚变研究的拨款减少了33％，同时关闭了耗资10亿美元的普林斯顿反应堆。当时有人感叹道：普林斯顿反应堆的关闭表明人类50年的核聚变能梦想将面临一个“无法预知的未来”。

　　根据目前的研究状况，乐观派认为最多到本世纪中叶，受控核聚变反应堆就会取得成功并投入商业运作，但也有不少人赞同俄罗斯理论物理学家米哈伊洛夫的观点：核聚变“只有到22世纪才会出现”。

　　针对这种情况，俄罗斯一批核物理学家打算另辟蹊径，提出了建造爆燃式聚变反应堆的建议。俄专家认为，这个项目有成熟的技术保障，并且运行原理简单、便于操作，是21世纪解决人类能源问题上的一项突破性技术。 爆燃式聚变反应堆的基本原理

　　爆燃式聚变反应堆是一个全新的课题，建造爆燃式聚变反应堆的首倡者是俄罗斯技术物理研究所。远在20世纪50年代，该所就有关于利用核爆炸能量的设想。70年代，该所研制成了“纯”氘装料。经核爆炸试验，证明爆炸时氘产生的能量是钚的数百倍(热核系数比)。1997年，该所专家联名发表了《爆炸氘能》的专著，阐述了爆燃式聚变反应堆的设计思想。2000年10月，俄罗斯原子能部以发消息的形式介绍了爆燃式聚变反应堆的技术原理。2001年2月，《爆炸氘能》的作者之一，俄罗斯原子能部核弹药开发试验局局长、技术科学博士沃洛什在《武装、政策、军转民》杂志发表文章，从政治、技术、经济诸角度再次论证了建造爆燃式聚变反应堆的可行性。

　　据悉，俄罗斯国家杜马已成立了专门的小组，负责从政治和生态角度审议建造爆燃式聚变反应堆问题。舆论认为，一旦俄国家杜马通过有关决议，俄罗斯就可以着手建造爆燃式聚变反应堆。总之，爆燃式反应堆在俄罗斯似已形成了呼之欲出的态势，那么，未来的爆燃式聚变反应堆是个什么样子呢?

　　根据俄罗斯专家的设计思想。爆燃式聚变反应堆是建在地下的一座体积巨大的钢筋水泥防护的锅炉(反应堆)，运行时每隔半小时或1小时向炉内投入一次用引爆器、裂变材料和氘—氘、氘—氚制成的能量装料，进行一次热核爆炸，取得氘聚变能。同时，炉内用大量的液态钠做载热体，将热能导出，液态钠同时还对炉体起到保护作用。(见示意图)。

　　俄罗斯专家认为，这一装置的设计以在试验中经验证的方法和实现氘原子聚变反应的装置为基础，与等离子磁约束或激光挤压靶等试验方法实现的氘氚混合物聚变有本质的不同，并且，受小能量核爆炸而产生的热核中子影响，氘原子聚变能还能消除传统核反应堆固有的一些局限。

　　俄罗斯专家解释说，人类从爆炸中获取能量的例子比比皆是，汽车的发动机就是我们身边的“爆燃式反应堆”。它通过点燃气缸内的燃料，使气体迅速膨胀，从而产生能量来推动活塞做工。计算证明，爆燃式聚变反应堆内单位面积上所受到的压力并不比汽车发动机大。

　　无独有偶，美国LNL国家实验室也进行了类似的试验。与俄罗斯区别在于：美国采用的是2-3千吨TNT爆炸当量的氘氚混合物，裂变材料为数克钚或铀—233，大约每10分钟爆炸1次；俄罗斯采用的是1-2．5万吨TNT爆炸当量的纯氘，裂变材料为数十克铀—233，每半小时爆炸一次。两种方法在爆燃式反应堆内产生的能量密度相同，均为15—40兆焦耳／米3，未超过普通内燃机的能量密度。由于以上区别，俄罗斯的爆燃式反应堆的设计在体积上和材料消耗上都超过美国。氚需要用人工制造，俄罗斯在能量装料中没有使用氘—氚材料，而采用了氘—氘材料，所以装料的成本较低。另外，爆炸的能量大和间隔时间长也使装料的数量少于美国。

　　在载热体和炉体保护材料的选用上，俄罗斯使用的是液态钠，美国由于使用了氚，所以采用了氟化锂和氟化铍盐。俄罗斯专家认为，氟化锂和氟化铍盐价格昂贵，溶化温度(约400~E)比钠(约100~C)高，对环境污染的危险性也比钠大。建造爆燃式反应堆时需解决的问题

　　俄罗斯专家认为，若要建造爆燃式聚变反应堆，需解决下列问题。

　　首先是政治问题。俄罗斯已签署和批准了禁止核爆炸的全面禁止核试验的条约。但俄罗斯专家指出，该条约的有关章节规定，条约生效10年后，缔约国有权在相关的会议上通过和平利用核爆炸的决定。禁止核爆炸的目的是确保生态环境，而爆燃式聚变反应堆内使用的氘是目前最清洁的能源载体，爆燃式聚变反应堆工作时产生的有害物质要比当前世界上任何一座核电站、水电站、火力发电厂都少得多。所以，完全可以通过签订准许建造爆燃式聚变反应堆的国际协议来解决这个问题。

　　第二是安全问题。俄专家认为，在以往的进行地下核试验中已有现成的答案。在降低腔室内机械负荷及减震方面，俄罗斯拥有计算精确的试验数据。爆燃式聚变反应堆工作时，反应堆中的机械能可迅速地转化为热能、爆炸装料能够被控制，再加上有足够厚度的防护层，反应堆的安全是有保证的。

　　另外，由于爆燃式聚变反应堆所用的裂变材料比普通核电站和快中子堆少，其生产1瓦电力所产生的放射性废料仅为上述反应堆的几十分之一。

　　第三是爆燃式聚变反应堆所需的材料问题。俄罗斯技术物理所已制造出由引爆装置、裂变材料和氘组成的氘能装料。如按每小时填装一块计，全年共需24x365=8760块装料。俄罗斯专家指出，氘能装料中可使用现有的各类裂变材料，如铀—233、铀—235、铀—238、钚—239、钍—233等。

　　关于爆燃式聚变反应堆的载热体材料，除液态钠外，还可使用液态铅铋合金，这项技术已在舰船反应堆上得到应用。对于2．5万吨TNT爆炸当量的氘能装料，大约需要20万吨的载热体材料。俄专家认为这一数量非常实际，完全能够办到。

　　至于核聚变反应的最佳物质氘，在海水中几乎是取之不尽的，完全不成为问题。爆燃式聚变反应堆的建造及其效益 根据俄专家的设计，若建一座功率为25千兆瓦的爆燃式聚变反应堆，其地下工程的高度约为180至250米、宽约180米、外壳厚度约为30米。建造这个庞然大物约需耗费600万吨水泥、100万吨钢材和20万吨液态钠。俄专家指出，除非发生大规模的核爆炸，这种结构完全可将氘能装料爆炸的机械能及时转化为热能。 关于建造经费和效益，据测算，一座功率为25干兆瓦的爆燃式聚变反应堆产生的效益相当于每年4000万吨煤、或每年20吨铀—235的效益。使用爆燃式聚变反应堆可使每度电(千瓦／小时)的价格低于0．04美元。建造一座每小时氘能装料爆炸当量为1万吨的试验性爆燃式聚变反应堆大约需要50亿美元。目前俄罗斯国家杜马审议的方案是先建造一座热功率为2000-9000兆瓦，电功率为700-3000兆瓦的试验样堆，需投资5亿美元。

　　结束语

　　1973年以来，人类共向地球索取了5000亿桶(约合800亿吨)石油，剩下的石油按现有生产水平匡算，还可保证开采40多年。天然气也只能持续开采50余年，一些国家的煤炭资源已采掘殆尽。矿物能源不仅造成各种污染和“温室效应”，而且大约在200年之内，石油、煤和天然气资源都有枯竭之虞。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类必将从“石油文明”走向“核能文明”。不过，在受控式核聚变堆经过半个多世纪的研究仍不能应用的情况下，爆燃式聚变反应堆的出现或许会给人类开辟一条获取核聚变能的新的希望之路。