快中子增殖堆以什么作为冷却？

介绍冷聚变，快中子反应堆

(科技日报 1990,1,12-2,9,"科海览贝专栏 5篇连载) 扑朔迷离的冷聚变现象 1989年12月初中央人民广播电台关于中日学者合作在低温核聚变实验中 测到大量中子的报道一下子又引起了许多关心此事的同志的询问究竟是怎 么回事 前一阵对冷聚变似乎已冷了下来以为已经过去了其实从1989年3 月23日宣称犹他大学发现冷聚变现象以来争论就没有停息实验和理论工作 也没有停息只是在3月6月的热潮之后人们认识的深化使得一些工作都 是在悄悄地进行进行更认真的研究例如去年9月1516日就在意大利的 凡仑那举行了理解冷聚变现象的研讨会该会由意大利物理学会发起与会 者主要从理论上探讨对冷聚变进行各种解释...全部

  (科技日报 1990,1,12-2,9,"科海览贝专栏 5篇连载) 扑朔迷离的冷聚变现象 1989年12月初中央人民广播电台关于中日学者合作在低温核聚变实验中 测到大量中子的报道一下子又引起了许多关心此事的同志的询问究竟是怎 么回事 前一阵对冷聚变似乎已冷了下来以为已经过去了其实从1989年3 月23日宣称犹他大学发现冷聚变现象以来争论就没有停息实验和理论工作 也没有停息只是在3月6月的热潮之后人们认识的深化使得一些工作都 是在悄悄地进行进行更认真的研究例如去年9月1516日就在意大利的 凡仑那举行了理解冷聚变现象的研讨会该会由意大利物理学会发起与会 者主要从理论上探讨对冷聚变进行各种解释的可能性该会的会议文集将发表在 今年1月出版的著名期刊(Nuovo Cimento)(新试验)杂志上去年l0月1618日 在美国首都华盛顿举行了充氘金属中的反常效应的讨论会该会由美国国家 自然科学基金会和电力研究所联合召开庞斯和弗莱希曼出席了会议近50名 与会者中多数是相信冷聚变的也有少数著名的持怀疑态度的学者如加州理工 学院的刘易斯(NLewis)和德州大学的巴特(A。
   Bard)被美国称为氢弹之父 的泰勒也出席了此会纽约时报记者11月7日从盐湖城报道了庞斯和弗莱希曼 两个月来埋头工作于新成立的国家冷聚变研究所仍持乐观态度而回避记者这 次日本大阪大学中日学者合作研究的报道正是这一系列研究工作之一从新闻报 道中可看到中国学者张月嫦和日本荒田吉明教授所采用的钯电极比较粗直径 2厘米他们在重水电解实验中观测了钯电极内部温度发现随着温度升而 复降钯电极先是吸附重氢继而又放出重氢并称之为开合效应他们观察 到的中子数最高时达每秒l亿个为天然本底的250万倍并连续40小时内出 现大量中子其实就在前不久日本(朝日新闻)还报道了不用电解池而用钯电 极在真空中放电10分钟再充氘气然后测到中子发射的实验结果日本名古 屋大学讲师和田仲彦与助教西泽邦秀将两根3。
  5厘米长的钯丝相距4厘米插人 直径8厘米容量为0。3升的烧瓶中抽走空气放电10分钟然后充入一个 大气压的氘这样每隔一小时就能观测到比本底高几倍的中子发射两天后再 放电10分钟结果可观测到比本底高2万倍的中子发射且不问这些实验作何 解释作何结论人们要问的是为什麽世界上这么多学者会对此扑朔迷离的冷聚 变现象发生如此浓厚的兴趣 能源的危机与希望 英国人在苏伊士运河危机期间用马拉汽车的照片曾被人们用来形象地说明 能源危机今天人们已经可以从自己的生活中体会能源危机的含义就在我们首 都北京的1000条电力线路中一度平均每天要拉闸限电1500次以上由于停电 限电中国工农业总产值每年要损失2000亿元再把眼光放远一些下世纪中 叶我国人口至少15亿如果按50年后中国能源消耗只是达到今日全世界的平 均水平(人均三马力)则我国每年就需要能源50亿吨标准煤这就是当前全世 界一年的煤产量比中国当前煤产量翻两番还要多如果再考虑全世界发展中国 家在今后50年中能量的需求而预计全世界石油和天然气的蕴藏在今后50 年要濒临枯竭那就更会意识到一场严峻的能源危机就在前面这就是为什么人 们要不停地探索新能源的基本原因而在种种可能的新能源中聚变能源独受青 睐这是因为其资源就是遍及全球的海水每立方公里海水中的重氢(氘)所释放 的聚变能就相当于今日已知的全世界的石油总蕴藏量而地球上约有10亿立方 公里的海水难怪人们要说一旦聚变能得以受控释放人类的能源问题就算是 一劳永逸地解决了这也就是面临能源危机的人类所看到的一个希望其实 聚变能早巳进入人类生活因为地球上的植物和动物所赖以生存的阳光就是靠太 阳内的聚变能才得以维持的太阳就是一个巨大的聚变反应炉在煤和石油中的 化学能也正是当年储藏的来自太阳的聚变能甚至今日我们所用的水电也是靠阳 光搬运的水力然而当我们企图在地球上建起这样一个小太阳受控的聚变 反应炉时事情就不是那么简单了 遥遥在望的聚变能 聚变能是两个较轻的原子核聚合在一起变成一个较重的原子核时所放出的 核能早在人们发现重核裂变之前科学家就已提出了太阳能量的来源是轻核聚 变的理论并在1932年发现了重氢可是人工控制的核聚变却远远落在核裂变 后面1938年才发现了核裂变4年之后就已建成了第一个裂变反应堆可聚变 呢直到1950年才第一次出现了实现热核聚变的氢弹从1958年起受控核聚变 研究解密全世界进行了30余年的努力预言的受控核聚变装置却是迟迟不能 实现虽然乐观者普遍认为在20世纪末一定能实现点火但是一般的估计都是 到21世纪中叶才可供工业应用是什么原因使聚变能量如此难以释放呢 难就 难在主要的聚变反应中反应物都是带正电荷的原子核要它们发生聚变反应首 先必须要让它们靠拢到核力可以发生作用的距离这大概是十万亿分之一厘米 (10-13厘米)然而两个带正电荷的原子核同性相斥这个库仑斥力却是一个 远距离就起作用的力早在两核靠拢之前就已经把它们推开了好比是两位挚友 要握手言欢而中间却隔着一座库仑山遥遥相对达100公里之远如果原子核有 足够的动能是可以越山而过的但这要原子核的动能高达几十万电子伏 通常以为电子伏是一个很小的能量对应的温度不会很高其实不然太阳表面 的温度那么高(6000)但是太阳表面带电粒子的平均动能还不到一个电子伏 可以想象要在地球上造成一个环境使其中带电粒子的平均动能达到几十万 电子伏并不是一件容易的事好在微观世界之中除了越山而过还有穿 山而过这一招打个比方说声波遇到砖墙并不完全被挡住而是可以穿墙 而过带电粒子的波动性表现在它也能从库仑山中透过去好比是打了一个隧 道穿过去人们称之为隧穿效应这样就不一定要求带电原子核的动能高 达几十万电子伏即使温度低一些也可以有发生聚变反应的机会当然即使是 隧穿效应也总希望山墙薄一些才容易穿透一种办法是原子核的动能 别太低(比太阳表面还热)仍比较靠近库仑山顶感受到的山墙比较薄这 就是热核聚变另一种办法是原子核动能很低(已接近室温)而削薄山墙这 就是冷核聚变当年有人提出用 粒子来代替氘分子中的电子可以使库仑山变 薄以增加聚变反应的机会这种反应被称为 粒子催化聚变反应这种催化反应 是在实验上已得到证实的冷聚变只是由于 粒子的寿命太短在实验上从未达 到有用的功率释放 总而言之聚变作为一种能量来源其理论模型是清楚的也是有实验依据 的但要成为一种实用的能源却是困难重重无论是热核聚变还是冷核聚变 都呈现一种虽然是可望却是日期遥远的态势 热核聚变 贵而生畏 近4 0年的热核聚变研究促使我们不断地探索究竟还有没有其他更容易的途 径 虽然沿着热核聚变道路走下来已经走到了马上就要证实科学可行性 了(1989年11月13日在美国物理学会年会上宣布欧洲的联合环已达到了接近 得失相当的水平即可输出的聚变能已等于输人能量的0。
  8倍)但科学家也 深知其中的困难所在 首先是约束这么高温的带电粒子所需要的磁场就是一项困难的高技术在地 球上还找不到一种材料可以制成容器来盛放此比太阳温度还高的带电粒子的气 体人们想到了磁场在强大的磁场中带电粒子的轨道被弯曲而约束在一定的体 积内众所周知磁场要靠电流来产生而电流要靠能源来驱动为了节省驱动 能源必须采用超导技术而用超导材料来包围这样一个庞大的热核聚变堆就使其 投资贵到了难以承受的程度运用今日已知的理沦来预测未来的热核聚变堆的 尺寸将是长宽高皆达十余米的庞然大物而相应的超导材料等包裹物质却 是平均每公斤达上千美元的昂贵材料每个热核聚变电站的投资将是几十亿美元 之巨且不说发展中国家难以承受这样的经济负担就是发达国家今日也不得 不考虑联合投资来兴建第一个实验性热核聚变反应堆(ITER)对于发展中国家来 说他们在未来的经济发展中是最需要聚变能源的国家而他们是负担不起这种巨 额费用的 冷核聚变 应运而生 正是在这样的背景下冷核聚变的出现一下子轰动全球因为它不仅仅可能 隐含着科学的创新也可能会打开一条通向聚变能源的新路然而按照庞斯和 弗莱希曼本人的愿望来说现在发表为时过早只是不得已而为之现年46岁 的庞斯早年就学于美国密执根大学在他快要得博士学位的时候却在其父的 怂恿下弃学经商十年之后他又想继续学业由于密执根大学不再承认其学分 而必须重修才使他远渡重洋成了英国南安普顿大学弗莱希曼教授的学生弗莱 希曼现年62岁素以智谋出众而受人称道两人从师生而成为挚友1984年 当他俩在盐湖城附近的峡谷地区作徒步旅行时忽然萌发了一个想法既然钯能吸 附大量的氢而且化学家们早就注意到氘在电场作用下能在钯的原子晶格点阵中 不寻常地作自由运动那么原子核会不会靠得足够近而发生核聚变呢 旅行结束 一到家他俩就在厨房内桌上边喝边画草图第一步的电解池实验方案就此诞生 了这个方案就是在重水中插入钯丝作阴极进行电解1985年的一个晚上电 解池的电极居然意外地烧融乃至有一部分都汽化了庞斯立即打电话把此意外事 件通知巳回到英国的弗莱希曼因为庞斯感到从电解池中得到的能量已远超过了 化学反应所能释放的能量弗莱希曼却告诫他最好不要在电话中讨论此事两人 用私人积蓄投资10万美元以继续探索这一被认作是冷聚变的现象当他们 感到私人投资已难以维持下去而向政府申请研究基金时1988年9月申请书转 到了同在犹他州的杨伯翰大学的物理学家琼斯手中政府要求他审议庞斯和弗莱 希曼的申请原来琼斯也在作冷聚变实验本来琼斯是专门研究 粒子催化聚变 反应的两年前他也转向研究电解池方案并且也发现了聚变的迹象他是一位 核物理学家在发明一台高质量的中子探测仪上下了功夫并用普通水作了对照 试验因此他之所以相信他看到了聚变是因为他确信已看到了聚变中子而根 本不是用化学反应解释不了的热量但琼斯却想用此冷聚变反应来解释地球内部 热量的起源和夏威夷观测站上测到的氚量异常两所大学相距不过50英里竟 在从完全不同的角度分析着同样的钯电极电解重水实验于是琼斯建议双方合 作1989年3月6日在两所大学校方出席下协商如何向公众报道庞斯和弗莱 希曼仍希望再等一下而琼斯却已接到了美国物理学会的邀请预定于1989年 5月初正式报告其研究结果最后商定1989年3月24日双方同时各投寄一篇 论文于自然杂志然而庞斯和弗莱希曼却于1989年3月23日在校方召开 的记者招待会上宣布了他们的突破这显然是一个不成熟的竞争的产物所 以此后庞斯和弗莱希曼在洛杉矶美国电化学会年会和在欧洲各种场合受到诘问 而支支吾吾是可以想象的他们也已料到一旦发表所招来的问题会比所解决的 问题多值得注意的是从此之后弗莱希曼与琼斯都分别与各地的学者合作英国 哈威尔实验室在弗莱希曼参与下种种验证实验都得出了零结果之后弗莱希曼 仍坚持他的结论而琼斯与意大利的学者在格兰萨索(Gran Sasso)的深山隧道 中重复了电解池实验之后明确排除了是宇宙线 粒子引起核聚变(因为隧道中 粒 子数量比海平面处还低一百万倍)后来又有一些支持冷聚变现象的实验其中 最值得一提的是意大利夫拉斯卡蒂(Frascati)的无电解池实验他们注意到了在琼 斯的实验过程中电极材料可以不是钯而是其他吸氢材料(如钛等)电解质也不 一定非用氘氧化锂不可但是琼斯提到了非平衡态可能是关键因素之一因 此意大利的学者们干脆不用电解池而是在不锈钢瓶中放几十克钛片或海锦钛 在50个大气下用液氮冷却后升温又重复冷却企图以此来造成空间和时间上 的非平衡过程果然他们在高压下看到了猝发式的中子发射其发射量比本底 高出35倍(达每小时70个计数)而在放气之后在室温下又连续十余小时内观 察到中子的发射其发射量比本底高500倍(每小时1000个计数)这个现象在 意大利的热那亚大学和另一个国家实验室也都看到了而且美国的洛斯阿拉莫斯 国家实验室也重复了这实验 也还有重复电解池实验而得到了正结果的地方如美国斯坦福大学和德州农 机学院他们还用普通水作了对照试验证实了过量的热只出现在重水电解的实 验之中 疑云密布 结论难下 然而事情并不是那么简单作为一名化学家可以把他看到的解释不了 的过量的热量归结为由核反应过程产生但是物理学家同样也解释不了 为什麽会有这样的核反应过程在一种情况下实验看到了过量的热却没 有看到中子和核聚变过程的其它产物(氚质子或氦的一种同位素等); 在另一种情况下实 验看到了中子却并没有见到明显的热量产生按照传统的氘一氘聚变反应应该同时有两种 反应结局一种是产生质子和氚另一种是产生中子和氦同时伴随着几百万电子伏能量的 释放所以科学家们普遍认为应该同时测到聚变能量和中子才能确证是冷聚变反应 庞斯和弗莱希曼一度宣称同时看到了过量的热和聚变中子但是用以论证聚变中子的伽 玛射线能谱被核物理学家否定了在麻省理工学院等离子体聚变中心的验证实验面前弗莱 希曼宣布他们的伽玛射线能谱有问题(但同时又重申过量的热不仅确切无疑数量上还 比过去更多)退一步说即使弗莱希曼看到的是中子其产额也比从聚变反应热算出的产 额低了10亿倍而且琼斯在同类电解池中看到的中子又比庞斯和弗莱希曼低了1万倍 这个疑点至今还没有解开但是还有更大的疑团迄今为止多数重要的实验室没有测到 任何正结果包括麻省理工学院的等离子体聚变中心国际商用机器公司的研究中心美国 电话电报公司的贝尔实验室劳仑斯贝克莱实验室橡树岭罗彻斯特大学俄亥俄州立大 学多仑多大学佛罗里达州立大学加拿大恰克河核实验室瑞士洛桑高工他们都说没 有看到弗莱希曼和庞斯所报道的中子产生率由于他们所用的探测仪器的灵敏度比不上琼斯 的仪器因此对于琼斯所报道的中子产生率(约每对氘核每秒产生1024个中子)尚无发言权 然而耶鲁大学和布鲁克海汶国家实验室的联合实验已确定中子的发生率不会高于每对氘 核每秒1025个聚变中子 面对着这难解的事实有人拿出了病态科学的症状来类比认为所谓冷聚变不过是 一场病态科学的瞎折腾有人甚至还说是美国科学的耻辱 理论的困惑 在扑朔迷离的实验结果面前人们看着理论工作者的态度然而理论工作者同样是困 惑不解为什麽聚变反应的热量与聚变反应的中子如此不相称呢姑且认为这是聚变中子 理论也解释不了所宣称的中子产率每对氘核每秒产生约1024次聚变反应使用隧 穿效应来估计氘分子内两个氘核聚变反应的几率是1070/分子秒最近加州理工大 学的理论工作者重新验算了此几率发现可提高到1064分子一秒仍远低于琼斯实验的 数值前面巳说明如果氘分子中的电子被换成 粒子则此几率可以提高80个数量级但 为了解释琼斯的实验每个 粒子必须催化700次聚变才行遗憾的是 粒子的寿命却太短 而达不到理论家的期望值 粒子的作用是使库仑山变薄那么是否也可以用其他方法来使 库仑山变薄呢固体物理学家告诉我们在金属氢化物中确实可以有一些空位每个空位内 可累积多达6个氘核可是计算表明这些氘核之间的间距仍比氘分子内的间距还大2倍 如果可以找到一种机制使氘核间距迫近到只有氘分子内两个氘核间距的1315则琼 斯的中子产生率就可能得到解释 另一方面也可以寻找使氘核加速的机制因为一旦被加速氘核爬升到靠近库仑山顶 则隧穿的厚度也会大大下降而提高聚变反应率这种加速电压可以来自金属中的裂隙在裂 隙两侧的电荷可以形成一个电场来加速氘核早在1976年就已观察到充氘或充氢的金属内 会产生裂隙也确实有苏联学者在1986年发表过撞击氘化锂晶体可以产生中子的实验结果 (撞击中产生的裂隙每条可以发出约10个中子) 理论的现状使化学家把目光投向核物理学家而核物理学家又寄希望于固体物理指望 在固体晶格中 粒子寿命会变长或在固体晶格里会出现只释放能量而不放出中子的新型 聚变反应1989年4月初氢弹之父泰勒曾说在刚一听到这消息时我的看法 是它决不可能发生我现在非常高兴因为我看到非常大的可能性是我完全错了泰 勒因病动了一次外科大手术在全身麻醉前他说的是但愿我能知道冷聚变究竟是怎么回 事1989年10月他还出席了有关的讨论会这可以说是对理论家的心愿和困惑的最好 写照 世界各国的对策 到目前为止实验或理论都还未能对冷聚变作出最后的结论但是看一看各 国对策不无裨益美国能源部在犹他大学冷聚变实验消息出来之后即要求能源 部所属各实验室在90天内弄清楚是怎么回事并指定洛斯阿拉莫斯国家实验室 在5月2225日召开国际讨论会还命令十个主要的国家实验室每周向能源部 报告一次有关冷聚变的实验情况那怕实验结果是初步的还是不确定的也要报 告同时能源部马上成立了一个由电化学固体物理核物理工程技术等诸 方面20位专家组成的专家小组由他们独立地评估并要求他们于1989年7 月写出阶段报告那次国际讨论会果然如期举行了那个阶段报告也于7月份写 出其中说专家小组认为迄今为止所报道的实验都未能提出令人信服的 证据以说明那个被称为冷聚变的现象能导致有用的能源事实上要说发现了一 种称之为冷聚变的新的核过程其证据也是没有说服力的该专家组原定于 1989年11月提出最终报告但是庞斯和弗莱希曼对于专家小组的组成持异议 甚至拒绝他们访问犹他的实验室因为庞斯和弗莱希曼认为专家小组中的成员都 偏向怀疑派庞斯和弗莱希曼表示只有改变专家小组成员才会做出公正的结 论也只有那样他们才允许专家小组参观犹他的实验室 尽管去年7月份的报告说了大泼冷水的话美国能源部内仍有一套政策来扶 持和评价这种近乎异想天开的研究这的确是值得借鉴的在美国能源部中 有一个专门支持这种高风险高潜在收益的研究基金基础能源科学办公室的先 进能源研究这项基金平均每年要支持12项类似的高风险高潜力的创新研究 平均每项每年约28万美元已闻名于世的自由电子激光就是此项基金扶植起来 的当年琼斯的 粒子催化冷聚变研究也是此项基金支持的通常这项基金只支 持三年左右因为一个想法如果基本上是正确的就会得到能源部其他基金乃至 工业界的支持如果行不通三年之后也可见分晓了唯独琼斯的项目有些特殊 从1982年开始获资助过了三年还是无法得到能源部的其他资助琼斯只好转 向研究高性能的聚变中子探测器用以寻找其他的聚变途径最后发现了钯电极电 解重水会产生聚变中子而庞斯和弗莱希曼也正是在申请这项研究基金时碰上了 琼斯来评议申请书并获准32万美元用于18个月的研究经费如今在犹他州议 会的支持下庞斯和弗莱希曼得到了450万美元的基金筹建了有30名研究人 员的国家冷聚变研究所 欧洲共同体为提高其工业的国际竞争能力而制定的第三个科研总体规划 中也明确列入了能源研究中要开展冷核聚变研究日本也与英国协议要利 用英国的加速器从1993年起共同进行 粒子核聚变实验。
   热中反应堆是一种安全、干净都达到要求的经济能源，在目前以及今后一段时间内它将是发展核电的主要堆型。 　　然而，热中子反应堆所利用的燃料铀235，在自然界存在的铀中只占0。7%，而占天然铀99。
  3%的另一种同位素铀238却不能在热中子的作用下发生裂变，不能被热中子堆所利用。自然界中的铀储量是有限的，如果只能利用铀235，再有30年同样会面临铀235匮缺的危险。因此人们把取得丰富核能的长远希望，寄托在能够利用铀235以外的可裂变燃料上。
  于是，快中子增殖反应堆便应运而生。 　　如果核裂变时产生的快中子，不像轻水堆时那样予以减速，当它轰击铀238时，铀238便会以一定比例吸收这种快中子，变为钚239。铀235通过吸收一个速度较慢的热中子发生裂变，而钚239可以吸收一个快中子而裂变。
  钚239是比铀235更好的核燃料。由铀238先变为钚，再由钚进行裂变，裂变释出的能量变成热，运到外部后加以利用，这便是快中子增殖堆的工作过程。 　　在快中子增殖堆内，每个铀235核裂变所产生的快中子，可以使12至16个铀238变成钚239。
  尽管它一边在消耗核燃料环239，但一边又在产生核燃料钚239，生产的比消耗的还要多，具有核燃料的增殖作用，所以这种反应堆也就被叫做快中子增殖堆，简称快堆。 　　快堆使用直径约1米的由核燃料组成的堆芯，铀238包围着堆芯的四周，构成增殖层，铀238转变成钚239的过程主要在增殖层中进行。
  堆芯和增殖层都浸泡在液态的金属钠中。因为快堆中核裂变反应十分剧烈，必须使用导热能力很强的液体把堆芯产生的大量热带走，同时这种热也就是用作发电的能源。钠导热性好而且不容易减慢中子速度，不会妨碍快堆中链式反应的进行，所以是理想的冷却液体。
  反应堆中使用吸收中子能力很强的控制棒，靠它插入堆芯的程度改变堆内中子数量，以调节反应堆的功率。为了使放射性的堆芯同发电部分隔离开，钠冷却系统也分一次回路和二次回路。一次回路直接同堆芯接触，通过热交换器把热传给二次回路。
  二次回路的钠用以使锅炉加热，产生483℃左右的蒸气，用以驱动汽轮机发电。 快中子增殖堆几乎可以百分之百地利用铀资源，所以各国都在积极开发，现在全世界已有几十座中小型快堆在运行。标志着快堆得到大量应用的日期已为时不远。
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