孕育中的俄羅斯爆燃式聚變反應堆

1954年，世界上第一顆實用型氫彈在美國比基尼島試驗成功，從66時起，受控核聚變就成了各國核物理學家研究的共同課題，因為核聚變能將是人類未來唯一清潔、有效、且又取之不盡的能源。核聚變反匝燃料是氫的同位素氘、氚及惰性氣體3He(氦—3)。氘在地球上蘊藏極其豐富，據測，每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚變產生的能量相當于300升汽油。一座100萬千瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304千克。核聚變使用的氘、氚發生反應后產生惰性氣體氦，不存在任何臨界事故和放射性物質泄露。據統計，存在于天然海水中的氘有45億噸，把海水通過核聚變轉化為能源，按目前世界能源消耗水平，可供人類使用上億年，所以，盡快讓核聚變能造福人類，以替補石油、天然氣等能源耗竭的問題就顯得更加緊迫。

研究路漫漫

獲得聚變能源最方便的途徑，是將大量的聚變材料在極短的時間內加熱到1-2億℃的高溫。除了太陽表面和核裂變爆炸時能產生如此之高的溫度外，核物理學家們也已在等離子體中達到了這個溫度。如1991年11月9日，歐洲聯合環形聚變反應堆在1．8秒內生成了比太陽內部溫度還高10倍的高溫，成功地實現了核聚變反應。不過，世上沒有任何實物容器能經受住這樣的高溫，所以，物理學家們就采用由封閉磁場組成的“容器”，來約束電離了的等離子體，此方法稱為磁約束。

20世紀50年代初期，蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出托卡馬克的概念。托卡馬克是磁線圈圓環室的俄文縮寫，又稱環流器。

1954年，蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所建成了第一個托卡馬克裝置，實現了個別的聚變反應，但聚變反應產生的能量極微。直到1970年，蘇聯在另一個托卡馬克裝置上，才有可以察覺到的聚變能量輸出。在這座裝置上，為了實現聚變要消耗10億分能量，才得到1分聚變能量。又過了10年，在美國和德國的兩臺托卡馬克裝置上：實現了每消耗10分能量可得到2分的聚變能量。1982年，美國為實現點火而設計的大型托卡馬克裝置在普林斯頓大學建成。此后，1983年6月英國建成比上述裝置更大的歐洲聯合環形聚變反應堆。1985年，日本、蘇聯也相繼建成了大型托卡馬克裝置。1984年9月，我國第一臺中型聚變裝置——中國環流器一號在四川樂山市郊建成。另外，我國總投資達1．65億元的全超導托卡馬克HT—7U也于1998年開始建設。

雖然經過牛個多世紀的研究，各種托卡馬克裝置紛紛問世，但到目前為止，受控聚變反應堆還沒有一個取得成功，以致有的科學家認為，現有的熱核反應裝置根本不可能在短期內實現持續產生的聚變能，換句話說，不能產生生產效益。美國國會也在1996年將用于核聚變研究的撥款減少了33％，同時關閉了耗資10億美元的普林斯頓反應堆。當時有人感嘆道：普林斯頓反應堆的關閉表明人類50年的核聚變能夢想將面臨一個“無法預知的未來”。

根據目前的研究狀況，樂觀派認為最多到本世紀中葉，受控核聚變反應堆就會取得成功并投入商業運作，但也有不少人贊同俄羅斯理論物理學家米哈伊洛夫的觀點：核聚變“只有到22世紀才會出現”。

針對這種情況，俄羅斯一批核物理學家打算另辟蹊徑，提出了建造爆燃式聚變反應堆的建議。俄專家認為，這個項目有成熟的技術保障，并且運行原理簡單、便于操作，是21世紀解決人類能源問題上的一項突破性技術。 爆燃式聚變反應堆的基本原理

爆燃式聚變反應堆是一個全新的課題，建造爆燃式聚變反應堆的首倡者是俄羅斯技術物理研究所。遠在20世紀50年代，該所就有關于利用核爆炸能量的設想。70年代，該所研制成了“純”氘裝料。經核爆炸試驗，證明爆炸時氘產生的能量是钚的數百倍(熱核系數比)。1997年，該所專家聯名發表了《爆炸氘能》的專著，闡述了爆燃式聚變反應堆的設計思想。2000年10月，俄羅斯原子能部以發消息的形式介紹了爆燃式聚變反應堆的技術原理。2001年2月，《爆炸氘能》的作者之一，俄羅斯原子能部核彈藥開發試驗局局長、技術科學博士沃洛什在《武裝、政策、軍轉民》雜志發表文章，從政治、技術、經濟諸角度再次論證了建造爆燃式聚變反應堆的可行性。

據悉，俄羅斯國家杜馬已成立了專門的小組，負責從政治和生態角度審議建造爆燃式聚變反應堆問題。輿論認為，一旦俄國家杜馬通過有關決議，俄羅斯就可以著手建造爆燃式聚變反應堆。總之，爆燃式反應堆在俄羅斯似已形成了呼之欲出的態勢，那么，未來的爆燃式聚變反應堆是個什么樣子呢?

根據俄羅斯專家的設計思想。爆燃式聚變反應堆是建在地下的一座體積巨大的鋼筋水泥防護的鍋爐(反應堆)，運行時每隔半小時或1小時向爐內投入一次用引爆器、裂變材料和氘—氘、氘—氚制成的能量裝料，進行一次熱核爆炸，取得氘聚變能。同時，爐內用大量的液態鈉做載熱體，將熱能導出，液態鈉同時還對爐體起到保護作用。(見示意圖)。

俄羅斯專家認為，這一裝置的設計以在試驗中經驗證的方法和實現氘原子聚變反應的裝置為基礎，與等離子磁約束或激光擠壓靶等試驗方法實現的氘氚混合物聚變有本質的不同，并且，受小能量核爆炸而產生的熱核中子影響，氘原子聚變能還能消除傳統核反應堆固有的一些局限。

俄羅斯專家解釋說，人類從爆炸中獲取能量的例子比比皆是，汽車的發動機就是我們身邊的“爆燃式反應堆”。它通過點燃氣缸內的燃料，使氣體迅速膨脹，從而產生能量來推動活塞做工。計算證明，爆燃式聚變反應堆內單位面積上所受到的壓力并不比汽車發動機大。

無獨有偶，美國LNL國家實驗室也進行了類似的試驗。與俄羅斯區別在于：美國采用的是2-3千噸TNT爆炸當量的氘氚混合物，裂變材料為數克钚或鈾—233，大約每10分鐘爆炸1次；俄羅斯采用的是1-2．5萬噸TNT爆炸當量的純氘，裂變材料為數十克鈾—233，每半小時爆炸一次。兩種方法在爆燃式反應堆內產生的能量密度相同，均為15—40兆焦耳／米3，未超過普通內燃機的能量密度。由于以上區別，俄羅斯的爆燃式反應堆的設計在體積上和材料消耗上都超過美國。氚需要用人工制造，俄羅斯在能量裝料中沒有使用氘—氚材料，而采用了氘—氘材料，所以裝料的成本較低。另外，爆炸的能量大和間隔時間長也使裝料的數量少于美國。

在載熱體和爐體保護材料的選用上，俄羅斯使用的是液態鈉，美國由于使用了氚，所以采用了氟化鋰和氟化鈹鹽。俄羅斯專家認為，氟化鋰和氟化鈹鹽價格昂貴，溶化溫度(約400~E)比鈉(約100~C)高，對環境污染的危險性也比鈉大。建造爆燃式反應堆時需解決的問題

俄羅斯專家認為，若要建造爆燃式聚變反應堆，需解決下列問題。

首先是政治問題。俄羅斯已簽署和批準了禁止核爆炸的全面禁止核試驗的條約。但俄羅斯專家指出，該條約的有關章節規定，條約生效10年后，締約國有權在相關的會議上通過和平利用核爆炸的決定。禁止核爆炸的目的是確保生態環境，而爆燃式聚變反應堆內使用的氘是目前最清潔的能源載體，爆燃式聚變反應堆工作時產生的有害物質要比當前世界上任何一座核電站、水電站、火力發電廠都少得多。所以，完全可以通過簽訂準許建造爆燃式聚變反應堆的國際協議來解決這個問題。

第二是安全問題。俄專家認為，在以往的進行地下核試驗中已有現成的答案。在降低腔室內機械負荷及減震方面，俄羅斯擁有計算精確的試驗數據。爆燃式聚變反應堆工作時，反應堆中的機械能可迅速地轉化為熱能、爆炸裝料能夠被控制，再加上有足夠厚度的防護層，反應堆的安全是有保證的。

另外，由于爆燃式聚變反應堆所用的裂變材料比普通核電站和快中子堆少，其生產1瓦電力所產生的放射性廢料僅為上述反應堆的幾十分之一。

第三是爆燃式聚變反應堆所需的材料問題。俄羅斯技術物理所已制造出由引爆裝置、裂變材料和氘組成的氘能裝料。如按每小時填裝一塊計，全年共需24x365=8760塊裝料。俄羅斯專家指出，氘能裝料中可使用現有的各類裂變材料，如鈾—233、鈾—235、鈾—238、钚—239、釷—233等。

關于爆燃式聚變反應堆的載熱體材料，除液態鈉外，還可使用液態鉛鉍合金，這項技術已在艦船反應堆上得到應用。對于2．5萬噸TNT爆炸當量的氘能裝料，大約需要20萬噸的載熱體材料。俄專家認為這一數量非常實際，完全能夠辦到。

至于核聚變反應的最佳物質氘，在海水中幾乎是取之不盡的，完全不成為問題。爆燃式聚變反應堆的建造及其效益 根據俄專家的設計，若建一座功率為25千兆瓦的爆燃式聚變反應堆，其地下工程的高度約為180至250米、寬約180米、外殼厚度約為30米。建造這個龐然大物約需耗費600萬噸水泥、100萬噸鋼材和20萬噸液態鈉。俄專家指出，除非發生大規模的核爆炸，這種結構完全可將氘能裝料爆炸的機械能及時轉化為熱能。 關于建造經費和效益，據測算，一座功率為25干兆瓦的爆燃式聚變反應堆產生的效益相當于每年4000萬噸煤、或每年20噸鈾—235的效益。使用爆燃式聚變反應堆可使每度電(千瓦／小時)的價格低于0．04美元。建造一座每小時氘能裝料爆炸當量為1萬噸的試驗性爆燃式聚變反應堆大約需要50億美元。目前俄羅斯國家杜馬審議的方案是先建造一座熱功率為2000-9000兆瓦，電功率為700-3000兆瓦的試驗樣堆，需投資5億美元。

結束語

1973年以來，人類共向地球索取了5000億桶(約合800億噸)石油，剩下的石油按現有生產水平匡算，還可保證開采40多年。天然氣也只能持續開采50余年，一些國家的煤炭資源已采掘殆盡。礦物能源不僅造成各種污染和“溫室效應”，而且大約在200年之內，石油、煤和天然氣資源都有枯竭之虞。從長遠來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后的主要能源，人類必將從“石油文明”走向“核能文明”。不過，在受控式核聚變堆經過半個多世紀的研究仍不能應用的情況下，爆燃式聚變反應堆的出現或許會給人類開辟一條獲取核聚變能的新的希望之路。