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日本核聚变(Fusion) 发电技术研究现状
2015-01-30 20:59:03   来源:日经BP社   评论:0 点击:

日本作为一个能源匮乏的岛国,在发展新型核能上表现的非常积极,和聚变研包括冷核聚变是日本未来能源开发的重点,让我们看看日本的和聚变研究现状。


 核聚变发电技术虽然比采用核裂变方式的现有核电技术安全,但也并非完全没有辐射。其面临的课题包括:(1)作为燃料使用的氘(D,重氢)和氚(T,超重氢)中,氚属于放射性物质,必须进行严格管理;(2)在核聚变反应释放的快中子的作用下,反应炉内壁的材料等会发生“放射性活化”,转变为放射性物质。

  位于日本青森县六所村的日本原子能研究开发机构的核聚变研究开发部门——六所村核聚变研究所正在开发氚的生成和回收技术、管理技术,并在通过实验来验证反应炉材料的放射性活化。除此之外,为了制备氚,该研究所还在开发从海水中提取锂(Li)的技术。2014年12月中旬,记者走访了该研究所。

  “啊,这是ITER的研究所吗!”

  前往目的地的路途并不顺利。六所村到最近的火车站的直线距离有20多公里,与新干线车站相隔30公里以上,而且几乎没有直达的公交设施。从车站打车往返至少也要1.5万日元,有时候还会到3万日元以上。为了尽量节约交通费,笔者事先在租车公司预约了一辆车,打算从车站自己开车过去。

  但就在动身的几天前,天气预报说采访当天有暴风雪,电视台等媒体也反复告诫民众“避免不必要的外出”。虽说租车公司的车辆安装了雪地轮胎,但考虑到在陌生的雪路上开车十分危险,笔者之后还是决定先搭公交,然后再换乘出租车。与直接从车站打车相比,这样虽然节省了一些费用,但公交车的终点除了几户民居,几乎是一片旷野。倘若不能顺利打到车,可能会被扔在风雪之中,孤零零地冻死。为此,记者决定提前预约一辆出租车。

  然而,打电话给当地的出租车公司告知“要去日本原子能研究开发机构”时,对方却不知所云。几个问答之后,对方问道:“莫非是ITER的研究所?”笔者要去的地方在两千零几年的时候曾是国际热核聚变实验堆(ITER)建设地的热门候选,所以当地人至今还认为那里是ITER的研究所(图1)。

  这个说法其实也没有错。六所村核聚变研究所内设置了ITER的“国际核聚变能源研究中心”。而且,在ITER投入运行时,将会设置与ITER的控制室功能基本相同的“ITER远程实验中心”。据六所村核聚变研究所所长牛草健吉介绍,正在法国的卡达拉什建设的ITER运行情况将会实时传输到该中心。


图1:雪雾中的六所村核聚变研究所

  核聚变反应像“骑自行车”

  正如开篇所讲,六所村核聚变研究所现在的研发内容之一,是开发氚的生成和回收技术,以及管理技术,这也是ITER的实验的一部分。核聚变发电主要反应的热门候选——D-T反应是把氘和氚作为燃料送入反应堆,使之发生核聚变。核聚变反应将释放出快中子(n)和4He的原子核(α粒子)。

  D-T反应的原理有些像自行车,要一直运行状态才能够稳定,一旦停止就会失去平衡。反应所需的氘全都要事先准备好,但氚却是除了初期点火的用量之外,其他都在反应堆运行的过程中生成。D-T反应一旦停止,氚的生成也将停止。相反,如果氚的生成停止,D-T反应也无法长期持续。

  氚生成的过程如下:首先,D-T反应释放出的快中子为中性粒子,它不受磁场的影响,会沿直线飞出等离子体。反应炉炉壁内部设置的氚生成装置“包层”会吸收快中子(图2)。在包层的内部,铍(Be)与6Li以层状交错配置。

  快中子通过撞击Be,释放出多个低能量的中子(热中子)。热中子撞击6Li后,产生n+6Li→3T+4He的核裂变并生成氚。将生成的氚回收并送入反应堆,从而使D-T反应持续进行。

  Be的作用是增加中子的数量,使高能量的快中子减速,转换成低能量的热中子。理想情况下,快中子应该全部用来生成氚,但在实际反应中,中子会被堆材等吸收,或是冲出反应堆外,出现一定的损失。因此,不增加中子的数量,就无法为D-T反应提供足够的氚。而且,快中子本身与6Li基本不反应。只有在大幅减速后才进行反应。


图2:包层的试制示例 Be和Li逐层交错配置。

  包括有效回收6Li内部生成的氚在内,在一连串的过程中生成并回收足够D-T反应使用的氚并不是一件简单的事情。六所村核聚变研究所发现,在目前正在开发的包层中,将Li制成多孔质、粒径为1mm的Li2TiO3粒子,就能够有效回收氚(图3)。“生成并回收足量的氚终于有了眉目”(六所村核聚变研究所包层研究开发部繁殖功能材料开发部研究副主管星野毅)。

  包层还有另一个作用,那就是取出在核聚变发电中非常重要的能量。利用Be为快中子减速、包层内的核裂变等环节会产生热量。这些热量将通过制冷剂回收并运用于发电。包层能否耐受如此高的温度?研究表明,“包层内部的温度最高为900℃,制冷剂预计将达到300℃”(星野),包层不会在高温下熔化。


图3:包层中填充的Li2TiO3的制作示例 制作并测试了直径不同的材料。

  与高温相比,更需要解决的课题是中子会使包层的结构材料——低活化铁素体钢出现放射性活化,或是劣化。在漫长的核聚变发电技术开发史中,人们在为清除等离子体内杂质的“偏滤器”而开发结构材料的同时,也在长期探索既不发生放射性活化,也不出现劣化的梦之材料。

  候选材料之一是由碳化硅(SiC)和使用SiC的强化树脂组合而成的“SiC/SiC复合材料”。不过,SiC/SiC复合材料非常难加工,实用化至今没有头绪。1990年代后半期,在核聚变反应堆的主要研究者中,甚至传出了“只要包层和偏滤器的结构材料看不到曙光,核聚变发电就不可能投入实用”的悲观论调。

  因此,在最近的很长一段时间里,放弃使用既不产生放射性活化也不发生劣化的材料、而是采用易拆装包层和偏滤器的“盒体”,每隔1~3年进行更换成为了托卡马克型核聚变反应堆的一大设计方针。ITER就是每2年更换1次包层,不到1年更换1次偏滤器。更换盒体使用的是机器人,施工人员不会受到反应堆放射性活化的影响。

  对于提供Li来说,这样做也非常方便。六所村核聚变研究所正在开发的包层是在填满Be和Li粒子后使用,在生成氚的同时,Li逐渐减少。“2年大约消耗20%的Li,届时正好要更换包层,只要事先填充Li,在更换之前都无需再次填充”(星野)。

  面向氢社会的氢管理技术

  六所村核聚变研究所的另一大研发课题是建立氚管理技术。核聚变发电反应堆与现有的核电反应堆相比,有关放射性物质的风险要低得多。前面已经说过,D-T反应的燃料是氘和氚,但实质上也可看作是氘和6Li。氘和6Li都不属于放射性物质。而且,一旦发生意外,反应可以立即中止,反应堆内没有燃料棒之类的高放射性废弃物,放射性活化的反应炉内壁材料也无需冷却,其半衰期很短。最长只要100年就基本能够达到安全水平。

  唯一不好处理的是氚(T)。氚是氢的放射性同位素,半衰期为12.3年,一般以气体或“水”(HTO)的形态存在。因此,氚在污染环境后,容易通过呼吸和口腔进入体内。而且,氚与氢一样,在众多的元素中原子尺寸最小,能够穿透几乎所有材料。即使封闭在容器内,也会慢慢泄漏。现有的核裂变反应堆虽然也生成并释放氚,但总量远远小于核聚变反应堆。

  例如,包括包层和回收