一種可能的低溫可控核聚變及其實現方式

陳世浩 陳紫微

（1．東北師范大學，吉林 長春 130024；2．北京交通大學，北京 100044）

0 引言

到目前為止，可控核聚變尚未實現。這是因為核聚變不僅需要超過1 億度的高溫，而且還需要滿足勞遜條件。對于1 億度等離子體來說，勞遜條件不容易滿足。其根本原因是帶正電荷的裸核之間存在著很強的靜電排斥勢。因此降低核聚變溫度是十分必要的。

伽瑪射線已在許多實驗室中產生，伽瑪激光實現方案也已經提出[1-3]。并且在此基礎上，也提出了利用伽瑪射線或伽瑪激光照射靶核，使靶核處于激發態，從而降低聚變溫度的設想[4]。

而該文考慮利用中子實現核聚變。與傳統核聚變相比，它具有能量密度小的缺點。此外，產生單能中子束需要輸入一定的能量。為了保證聚變過程的輸出能量大于輸入能量，需要對中子束生成過程產生的熱能和光能量進行回收利用。其優點是核聚變過程可以在低溫下實現，易于控制，而且不產生放射性核乏燃料。

1 低溫可控聚變的物理機制

1.1 中子與原子核聚變

如果一個核子系統的結合方式A 比結合方式B 具有更高的能量，那么當這個核子系統由結合方式A 轉變為B時，一定會有一些核能被釋放出來。當然，這些核能的釋放不是直接進行的，而是必須通過一些中間過程才能實現的。無論核裂變、常規設計的核聚變，還是該文所涉及的低溫可控核聚變，核能釋放的物理原理都是一樣的。

這種低溫可控聚變的原理是單能中子束與給定的原子核發生聚變，從而釋放出核能。這種聚變可以在較低溫度下實現。這是因為中子不帶電，并且與核反應截面大。此外，中子可以在沒有質子與核或核之間碰撞的情況下產生。因此，整個核聚變過程不需要克服原子核之間的靜電勢能，可以在低溫下實現核聚變。

中子幾乎可以與任何核發生反應。有多種原子核吸收中子后釋放核能。例如：

式中：σnL和σnB是熱中子n 分別與鋰核6Li 及硼核10B 的反應截面，b=10-24cm2，是散射截面單位，3T 與α 分別表示氚核與氦核，7Li 是鋰的另一種同位素核[5]。

1.2 中子源

中子源包括自發輻射、反應堆、散裂、電子和伽瑪射線中子源5 種。后3 種中子源可用于進行低溫可控核聚變。

電子中子源的物理機制為在真空室中，豐中子的原子被分解成電子和裸核。電子和裸核按傳統技術由電場和磁場分離，分別調制成單能電子束和單能離子束。調節單能電子束相對于單能離子束的速度，使電子相對于裸核的動能大于裸核最后中子結合能。單能電子束和單能離子束反平行地入射到直線對撞區。這樣，電子與裸核發生碰撞后，在電磁相互作用和弱相互作用下，豐中子裸核會分裂成幾個子核和中子。顯然，電磁相互作用在這里占主導地位。當單能電子束相對于單能離子束的速度不同時，所釋放中子的能量也不同。例如，當一個離子e 相對于氘核d 的動能大于氘核結合能2.224 MeV 時，有以下反應：

式中：p，ve分別表示質子與電子型中微子。當電子的動能相對于鈹核9Be 大于鈹核的結合能1.665 MeV 時，有下列反應：

式中：T1/2（8Be） 表示鈹核8Be 的半衰期，0.074 fs。

類似地，當一個豐中子的原子核吸收一個能量大于其最后一個中子結合能的伽瑪光子γ 時，它也能釋放中子。例如，當伽瑪光子的能量大于2.224 MeV 時，有以下反應[6]：

當一個伽瑪光子的能量大于1.665 MeV 時，有以下反應[6]：

有些放射性元素自發輻射中子。這種元素可以用作自發發射中子源。一個自發發射中子源是锎核252Cf[6]，它的半衰期是 T1/2=2.645a，a 表示年，中子產額是2.31×1012s-1g-1。

其能譜分布是麥克斯韋分布，N（E）=Cexp（-E/Eγ），Eγ=1.453±0.017 MeV，E 是中子能量，Eγ是伽瑪單光子能量，C 是一個歸一化常數，其中某些能量適當的中子能夠與6Li 和9Be 發生聚合反應。很明顯不同的放射性元素所釋放的中子能量是不同的，散裂中子源適合于大規模釋放核能。

2 這種核聚變的可行性

綜上所述，可以看出中子與原子核的聚變過程為首先，需要輸入能量，以便產生大量的單能中子。其次，單能中子與靶核聚合，釋放核能。僅當有凈輸出能量時，這種聚變才是有意義的。

2.1 這種聚變能量有凈輸出的可能性

設核系統初態靜質量的能量為EI，末態靜質量的能量為EF，則EIF=EI-EF為從初態到末態所釋放的核能。但這個能量不能直接釋放，必須經過一個中間態才能釋放。設這個中間態能量為（EI+EM），EM表示中間態與初態的能量差，則這時末態能量為（EF+EM）。初態經過這個中間態到末態所釋放的能量依然是EF。即：

例如對于初態（d+6Li）和末態（α+T+p），相應于初、末態靜質量md+mLi和mα+mT+mp的能量差為

如前所述，氘核的結合能是2.224 MeV。當氘核獲得2.224 MeV 結合能時，氘核解離為質子p 與中子n。初態（d+6Li）轉化為中間態（p+n+6Li）。鋰核6Li 吸收中子后，中間態轉化為末態（α+T+p）。從中間態到這個末態轉變時所釋放的能量為

公式（11）似乎表明，中間態不影響核能釋放。但實際上并非如此，輸入能量Ein必然大于EM才可，EinM=Ein-EM＞0。EinM是產生單能中子束過程所耗散的能量，是光能與熱能。EinM中的一部分EinC能夠回收利用，EinC=ηinCEinM，ηinC是EinC的回收效率。這樣，實際耗散的能量為EC=（1-ηinC）EinM。

中子與核聚變所釋放的核能EN并不能被完全利用，也不是每個中子都能被靶核吸收。考慮到這些因素，假設全部中子被靶核吸收時釋放的能量為EN，則EN中只有一部分ENU=ηNUEN能被有效利用，ηNU＜1 表示的是核能的利用效率。僅當聚變能凈輸出Eout=ENU-EC＞0 時，這種核聚變才有意義。

為了從氘核獲得單能中子束，首先需要將分子解離為原子，并將原子解離為電子與裸核，再將電子與裸核分別調制成單能電子束和單能裸核束，最后讓單能電子束和單能裸核束對撞，產生單能中子。設電子與豐中子的原子核的結合能為EA。為了把這個原子解離為它的裸核與電子，必須輸入能量，這里ηA是的效率。例如：

式中：D 和O 分別表示氘和氧原子。這一過程涉及原子、分子層次能量，一個反應僅為幾十電子伏特（此例中輸入能量小于20 eV）。將轉化為光能與熱能。在最后階段，這些電子將與原子核重新結合形成原子,并釋放光能與熱能EAOT≈EA。EOT的一部分ηOTEOT和EAOT的一部分ηAOTEAOT能夠被回收利用，ηOT＜1 及ηAOT＜1,分別表示的是EOT和EAOT的回收效率。因此，這一過程中實際耗散的能量為。EAC＜EA也是有可能的。對于公式（12）這個過程，實際消耗的能量不會超過30 eV。

設在將電子調制成單能電子束和將裸核調制成單能裸核束的過程中，輸入的能量為Ein，Ein＞EM=ηMEin，ηM＜1表示的是Ein的利用效率。在這一過程中，不是每個電子與裸核都能對撞。沒有對撞的電子與裸核從對撞區出來后可通過磁場重新輸送回對撞區。設獲取單能電子束與單能裸核束的過程中，電子與裸核加速或減速所輻射的光能為EinO。Ein的一部分成為電子與裸核有用的動能，即上述將初態轉化為中間態所必須輸入的能量EM。初態獲得能量EM后，成為中間態。例如，氘核獲得2.224 MeV 結合能后，（d+6Li）轉化為中間態（p+n+6Li）。Ein的其余部分就是耗散能量EinO=Ein-EM，EinO的一部分能夠被回收利用。例如，中間態的質子p 的能量可以回收利用，通過磁場導出后可成為電源的正極，釋放電能，與電子結合后成為氫氣，同時放出光能。

在公式（1）中，產生的氚核T 也能釋放能量，是很有用的，可用于制作核電池。

所以在這個過程中，實際耗散的能量是EinC=ηinOEinO=ηinO（Ein-EM），ηinO＜1 表示的是能量EinO的回收效率。例如對于公式（10）～（12），當輸入能量Ein=3 MeV，能量實際耗散不大于0.776 MeV 時，這些反應就能實現。顯然，實際耗散能量EinC與能量具體的回收技術有關。

用足夠厚的靶原子物質包圍產生單能中子的對撞區，可使中子被靶核吸收的概率p 接近于1。這種核反應釋放的可用的能量為ENU=ηUEN。

綜上所述，考慮到各種效率，對于公式（1）、（3）與（10）～（12）來說，當輸入能量Ein=3 MeV，能量實際耗散不大于0.776 MeV 時，一個中子與一個6Li 核聚變釋放的核能是：

設這種核能利用效率為ηNU=0.7，則凈輸出能量ENU=0.7×1.783=1.248 MeV 。這個能量相當于一般一個分子或原子反應能量的百萬倍左右。

2.2 電子中子源中電子相對于靶核的速度及對撞區的長度

下面討論有關公式（1）、（3）的物理數據。這些可以確定這種核聚變裝置的主要結構[7]。

設在實驗室坐標系中的單能電子束和單能氘核束的速度分別為ve和vd，ve和vd的方向相反，則電子相對于氘核的速度為

當電子相對于氘核的動能大于2.224 MeV時，ue≥0.9733519c，c 是光速。為了減少能量耗散，氘核的速度取為vd≤30 m/s。這樣，ue≈ve=0.9733519c，ve/vd=107。

設nd、ne分別為氘核與電子在實驗室系中的數密度，這時電子與氘核的非彈性散射截面為σ（e+d →e+p+n）=σed0，表示的是電子與氘核對撞區的長度，則當

可以用單光子能量大于或等于氘核結合能2.224 MeV的伽瑪射線或伽瑪激光輻照D2原子或單能氘核束，從而獲得單能熱中子。伽瑪光子的數密度nγ滿足

設這時的伽瑪光子與氘核非彈性散射截面為σγd0，則當

每個伽瑪光子被氘核吸收的概率接近于1。

設單能氘核束的橫截面為S，S 也是單能電子束的橫截面，則氘核電流強度Jd和電子束電流強度Je分別為

用這些單能中子輻照鋰原子或硼原子，則聚變反應（1）或（2）就將發生。設核6Li 與核10B 的密度為nLi和nB，鋰核6Li 和硼核10B 吸收熱中子的截面分別是σnLi和σnB，這種核的鋰原子或硼原子置于圍繞這個熱中子源的環形圓筒中，圓筒內、外半徑差分別為LLi和LB，則當

每一個單能熱中子被吸收的概率都接近于1。

3 結論

可控核聚變的機理是中子束與給定的核，如6Li 或9Be聚合，核能釋放。電子中子源是5 種中子源之一，其中單能電子束與單能裸核束（如氘）對撞產生單能中子。這些中子輻照靶核，被靶核吸收，使核能釋放。與傳統核聚變相比，它具有能量密度小的缺點。此外，產生單能中子束需要一定的能量。但是，只要能有效回收利用部分輸入的能量，也能夠使聚變過程的輸出能量大于輸入能量。其優點是中子不帶電荷，與原子核的反應截面很大，所以這種核聚變的全過程都可以在低溫下進行（原則上可以在室溫下實現聚變），易于控制，而且不產生放射性核乏燃料。