近日，澳大利亞HB11能源公司表示，他們在不需要超高溫，也不產(chǎn)生放射性核廢料的情況下，使得氫硼核聚變的反應(yīng)速率比預(yù)期水平高出10億倍。那么，安全無輻射的核聚變技術(shù)真的來臨了嗎？
林泉 /文
近日，澳大利亞HB11能源公司表示（HB11是Hydrogen- Boron 11，即氫和硼-11的縮寫），他們在不需要超高溫，也不產(chǎn)生放射性核廢料的情況下，正朝著核聚變能的產(chǎn)生的方向推進。
HB11能源公司脫胎于澳大利亞的新南威爾士大學(xué)，他們宣布，已經(jīng)通過日本、中國和美國獲得了一系列專利，以保護其獨特的聚變能源生產(chǎn)方法。該公司的負責(zé)人表示，他們規(guī)避了半個多世紀以來一直困擾阻礙核聚變能源發(fā)展的所有科學(xué)挑戰(zhàn)，使得氫硼聚變的反應(yīng)速率比預(yù)期水平高出10億倍。[1]
1 無中子聚變
核聚變是理論上清潔、安全的人類能源需求解決方案，人們對此期待已久。太陽之所以能夠產(chǎn)生巨大的能量，并持續(xù)為地球上的生命提供能源，依靠的正是在其自身引力束縛下的高溫高密度中心的熱核聚變。
我們通常熟悉的威力巨大的原子彈，以及世界各地運行的大量核電站，利用的都是原子核裂變這一物理現(xiàn)象。核裂變是通過中子轟擊重的原子核（例如通常用到的鈾的一種同位素鈾-235），使之分裂成若干質(zhì)量較小的其它原子核，從而釋放出巨大的能量。核聚變的過程則是讓質(zhì)量較輕的原子核，比如氫的同位素氘（由一個質(zhì)子加一個中子組成）和氚（由一個質(zhì)子加兩個中子組成），在持續(xù)極端的高溫高壓條件下結(jié)合：
相比于強大卻有可能在意外事故中造成驚人破壞的核裂變過程，核聚變不僅很有可能可以提供可靠、安全、低成本的綠色能源，而且不甚可能會引發(fā)核反應(yīng)堆熔毀，從而導(dǎo)致放射性物質(zhì)外泄的事故。
然而，通常比較容易啟動的核聚變反應(yīng)，如上面的氘氚（D-T）聚變過程，往往會產(chǎn)生大量中子，這些不帶電荷的中子會帶走聚變過程中釋放的大部分能量，并且會因為穿透力很強的中子輻射而產(chǎn)生一系列相關(guān)問題。因此，人們同時也集中精力研究所謂的無中子聚變（Aneutronic fusion）。無中子聚變過程中釋放的能量絕大部分由帶電粒子（如α粒子、質(zhì)子等）所攜帶，而不是通常電中性的中子。這樣不僅可以避免穿透力很強的中子輻射的問題，而且相比于電中性的粒子，帶電粒子更容易直接轉(zhuǎn)化為電能。不過相比于氘氚聚變，無中子聚變得以實現(xiàn)的條件要嚴苛得多。
幾種核反應(yīng)截面較大的無中子聚變反應(yīng)。無中子聚變反應(yīng)的產(chǎn)物是α粒子（即氦核）和質(zhì)子這樣的帶電粒子，而不是電中性的中子。[2]
要啟動聚變反應(yīng)，首先需要有足夠的能量來克服作為燃料的同樣帶正電荷的原子核之間的庫倫斥力，這個過程也被稱為“點火”。而要讓反應(yīng)持續(xù)進行，則需要聚變反應(yīng)的速率足夠高，能夠?qū)囟染S持在高于點火溫度的水平。這里的反應(yīng)速率正比于核反應(yīng)截面，即入射粒子和靶原子核之間發(fā)生反應(yīng)的概率。
相比于氘氚聚變，無中子反應(yīng)中作為燃料的原子核通常原子序數(shù)更高，即攜帶的電荷量更大，因此它們之間的庫倫斥力也更強，兩個原子核極難接近，相應(yīng)的點火溫度就更高。下面列出了幾種無中子聚變反應(yīng)的點火溫度，可以發(fā)現(xiàn)，與氘氚聚變相比，幾種無中子聚變的點火溫度要高出數(shù)倍，而它們的反應(yīng)截面卻要小得多。[2]
在幾種主要的無中子聚變反應(yīng)中，氦-3在地球上的自然含量非常少，以氘和鋰作為燃料的核聚變反應(yīng)本身雖然不產(chǎn)生中子，但次級反應(yīng)往往會產(chǎn)生一定量的中子，而對于氫硼聚變反應(yīng)，只要能夠?qū)湓雍说哪芰靠刂圃? MeV以下，反應(yīng)過程中就不會產(chǎn)生中子。[3]因此，氫硼聚變成了許多研究關(guān)注的焦點，HB11能源公司專注研發(fā)的正是這一反應(yīng)機制的相關(guān)技術(shù)。
2 激光技術(shù)前沿發(fā)展帶來的突破
目前一系列正在推進中的大項目，包括馬克斯·普朗克等離子體物理研究所建造的實驗性仿星器*受控核聚變裝置Wendelstein 7-X，使用托克馬克磁約束系統(tǒng)的國際（涉及35個國家）熱核聚變實驗堆（ITER）項目，大多是利用氘氚聚變機制，通常需要達到1500萬攝氏度這樣的高溫。我們知道，太陽表面的溫度也才只有大約5500攝氏度，只有在太陽的核心部分，溫度才能達到1500萬攝氏度。
*仿星器：模擬恒星內(nèi)部持續(xù)的熱核聚變反應(yīng)的實驗裝置。
面對如此極端的高溫條件，HB11能源公司試圖另辟蹊徑。一方面，他們徹底放棄使用像氚這樣稀少、具有放射性且難以處理的核燃料，轉(zhuǎn)而使用來源充沛的氫和硼-11元素；另一方面，他們利用一些最為先進又極為特殊和非常精準的激光技術(shù)來點燃核聚變反應(yīng)，希望能夠避免對不可思議的高溫條件的依賴。
氫硼核聚變實驗的裝置是一個幾近中空的金屬球，中心放置著一個HB11燃料球，在不同側(cè)為兩束激光留出了小孔。其中一束激光為等離子體建立約束磁場，另一束激光觸發(fā)“雪崩式”聚變鏈式反應(yīng)。
實驗裝置是一個幾近中空的金屬球，中心放置著HB11燃料球，兩束激光同時從不同方向射向燃料球。| 圖片來源：hb11.energy
這里用到的尖端激光技術(shù)依賴于獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎的“啁啾脈沖放大”技術(shù)，這一技術(shù)可以產(chǎn)生飛秒（10^-15 s）量級的激光脈沖，能極大地提高激光的功率。[4]通過在皮秒（10^-12 s）的時間間隔內(nèi)使用功率高達10^16瓦的激光脈沖，等離子體燃料可以被加速到10^7 m/s，與此同時卻不會被加熱。[3]
氫硼聚變反應(yīng)會生成大量的α粒子，也就是裸露的氦核，反應(yīng)產(chǎn)物中沒有電子。每個α粒子攜帶兩個單位的正電荷，這些粒子高速運動會產(chǎn)生巨大的電流，幾乎可以直接導(dǎo)入現(xiàn)有的電網(wǎng)，而不需要熱交換器或蒸汽渦輪機等。[5]
不同于煤或核裂變反應(yīng)需要加熱水之類的液體產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動渦輪發(fā)電機，氫硼聚變產(chǎn)生的能量幾乎可以直接轉(zhuǎn)化為電能。| 圖片來源：hb11.energy
Heinrich Hora教授40年來一直致力于這項研究，他說，功率達10^16 瓦的激光脈沖是一項全新的技術(shù)，這項技術(shù)使得即使沒有百萬攝氏度的高溫，也可以創(chuàng)造出核聚變的條件。事實上，激光觸發(fā)的鏈式反應(yīng)速率比通常預(yù)測的要高10億倍，甚至比氘氚聚變還高。這種雪崩式的鏈式反應(yīng)是目標得以實現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，它使得能夠從反應(yīng)中獲得的能量遠遠多于投入的能量。這些不同尋常的早期結(jié)果使HB11能源公司相信，他們有“很大的機會可以領(lǐng)先于其他團隊，提前實現(xiàn)凈的能源收益的目標”。
HB11能源公司的常務(wù)董事Warren McKenzie博士解釋說，許多核聚變實驗都是用激光將燃料加熱到極端高溫，但HB11公司的方法則具有根本的不同。他們是用激光通過非線性力大規(guī)模地加速氫原子核，使之穿過硼樣品，這就像是用氫作為標槍，希望擊中硼原子，如果擊中一個，就可以啟動聚變反應(yīng)。從物理學(xué)角度看來，溫度與原子運動的速度相關(guān)，利用高溫來實現(xiàn)聚變本質(zhì)上相當于希望隨機運動的原子能夠彼此碰撞。與之相比，HB11公司的方法要精確得多。McKenzie博士說：“我們并沒有試圖把燃料加熱到不可思議的高溫，而是回避了半個多世紀以來一直阻礙聚變能發(fā)展的所有科學(xué)挑戰(zhàn)。這意味著我們的開發(fā)路徑將比任何其他的聚變方法都要快得多，也便宜得多?！?/p>
Hora教授說：“現(xiàn)在我們要去說服那些研究核聚變的人們，這種方法比現(xiàn)有的需要數(shù)百萬攝氏度高溫的熱平衡發(fā)電機更好。我們現(xiàn)在有了新的技術(shù)，可以使整個形勢發(fā)生重大變化，它可以替代碳成為新的能源。這將是一種全新的形勢，并將為能源和氣候問題帶來新的希望。”
3 距離實際應(yīng)用還有多遠？
那么，氫硼核聚變反應(yīng)堆還需要多長時間才能成為商業(yè)現(xiàn)實呢？McKenzie博士沒有對此做出預(yù)測，他說：“規(guī)劃時間點是個棘手難纏的問題，我不想承諾我們能在10年內(nèi)完成某些事情，最終卻一事無成，成為笑柄?！?/p>
不過他認為未來將有幾個關(guān)鍵的里程碑需要逐一達到。第一個里程碑是成功演示氫硼核聚變反應(yīng)實驗，這個應(yīng)該容易。第二個里程碑是進行足夠多的反應(yīng)，通過生成的α粒子的數(shù)量來計算在那兩束激光的共同作用下，從一個核燃料球中可以獲得多少能量，這將為在工程上建造一個核反應(yīng)器提供所有相關(guān)的科學(xué)知識。第三個里程碑是將所有這一切結(jié)合起來，展示一個切實可行的反應(yīng)器的概念。
這是破天荒的大事記。如果真能夠?qū)崿F(xiàn)廉價、清潔、安全的核聚變能源的生產(chǎn)，那將是人類歷史上一次非同小可的飛躍，并將為我們未來的能源和氣候問題提供重要的解決方案。如果更進一步，核聚變能可以在不需要極端高溫的條件下獲得，那么人們甚至可以在靠近他們家園的地方放心舒適地使用它們。
參考文獻
[1] https://newatlas.com/energy/hb11-hydrogen-boron-fusion-clean-energy/?from=singlemessage&isappinstalled=0
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion
[3] H. Hora, et al. Road map to clean energy using laser beam ignition of boron-hydrogen fusion. Cambridge University Press, 12 December 2017
[4] https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/popular-physicsprize2018.pdf
[5] https://www.hb11.energy/our-technology
