聚变-裂变混合反应堆――其中聚变扮演的角色是裂变反应堆的中子源，这样不仅能够发电，还能够处理核废料及产生裂变燃料，这也是混合反应堆支持者最推崇它的原因之一
聚变-裂变混合反应堆的想法从产生到现在已有几十年的历史了。由于人们对无碳能源的迫切需求，最近关于它的讨论又被重新提及――由纽约大学和布鲁金斯学会在今年5月举办的会议上，以及美国能源部（DOE）准备在近期举行的相关研讨会上，混合反应堆都是其中的议题之一，一些独立的设计方案也相继出现。
裂变的仆人：聚变
目前，美国有100个核反应堆，其提供的电能约占全美国发电量的20%。如果要提高核能发电的比例，核废料的处理压力就会随之增加。“再次引起人们对混合反应堆兴趣的主要原因是人们对环境的担忧”，麻省理工学院等离子体科学和聚变中心副主任、DOE研讨会主席杰弗里·弗雷德伯格（Jeffrey Freidberg）说，“既然问题已经提出了，当务之急的是如何处理好核废料这一问题？”
由于预算原因，今年5月奥巴马政府计划放弃争论日久的内华达州亚卡山的核废料填埋项目，同时宣布将组成专门小组讨论民用核废料的处理方式。尽管铀资源有限也是问题之一，但可以通过混合反应堆和裂变增殖反应堆解决。“混合反应堆曾一度被视为禁区，”英国裂变项目主管斯蒂芬·考利（Steven Cowley）表示，“我认为现在是重新考虑这一系统的时候了。”
美国目前有3种混合设计方案，其中两种采用磁聚变方式，另一种由美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（以下简称劳伦斯实验室）提出的采用惯性约束聚变的方式，其相关研究建立在正在试运行的国家点火装置(NIF)上。
在混合反应堆中，聚变反应产生的中子进入由裂变材料组成的区域中，其结果是引发裂变或是中子被捕获。与普通的裂变反应堆一样，裂变释放的能量可以转化为电能，但混合反应堆还有一项重要功能是处理核废料。奥斯汀得克萨斯大学聚变研究所的斯瓦迪什·马哈简（Swadesh Mahajan）对此形象地说：“聚变谦逊地对裂变说，‘我们将成为你的仆人，摧毁你在释放能量过程中产生的有毒废料，帮你获得社会认可’。”
对一个受指责的核嬗变（指原子核质量数发生变化的核反应）反应堆，乔治亚理工学院混合反应堆项目负责人比尔·斯泰西（Bill Stacey）说：“如果没有足够的维持裂变链式反应进行的中子，将反应堆调至亚临界状态并调整中子源的强度，就能安全地将燃料留在里面直至达到辐射损伤限制。”
他接着说，如果将燃料留在反应堆的时间再长一些，意味着在不得不更换新燃料前，混合反应堆将耗掉25%的超铀元素，尽管燃料可以再回收利用。“为了处理掉95%的燃料将不得不重复回收处理6——7次，”劳伦斯实验室领导混合反应堆研发的埃里克·斯托姆（Erik Storm）表示，他们已经开发出了一种单循环、封闭的核循环设计方案，“如果想要烧掉核废料，就不得不进行回收处理；但我们的循环装置可以处理掉99.9%的废料，而不用进一步再处理了。”
对此，斯泰西说：“用这种处理方式对减少不得不长期储存的核废料意义重大”。但问题是，“这些优势必将会增加成本，混合反应堆一定比裂变反应堆投资更大。”接下来他话锋一转，“如果你去看看处理核废料的总投资，那混合反应堆的投入就小巫见大巫了。总之，没人真正计算过这样的大笔开支。”
磁-聚变混合反应堆
尽管目前还没有真正制造出一个核混合反应堆，以及关于混合反应堆与纯裂变反应堆、核裂变增殖反应堆之间的界定还较为模糊。对此，劳伦斯实验室NIF项目副主管埃德·摩西（Ed Moses）说：“在理论上不存在任何问题，只是技术方面的问题以及经济上划算吗？然而一旦解决了这些问题，其间我们又将等待多少时间呢？”
斯泰西计划实施一个小比例的国际热核聚变实验反应堆（ITER）和钠冷却的快分裂反应堆（前者正在法国建造）。根据设计要求，核反应堆的再生区将置于托卡马克（一种环状大电流的箍缩等离子体实验装置，是核聚变反应堆的必要组件）内。他说：“我们利用了最先进的快反应堆概念和磁聚变概念。如果我们决定尝试，就必须拿最好的去一试，”斯泰西和他的团队已经为这一设计忙碌了十年。
“相对纯聚变反应堆而言”，斯泰西说，“混合反应堆对等离子体物理压力不必那样高，其密封性也没有那么苛刻。”但为了获得足够的中子混合反应仍需使用氘-氚反应堆，这种反应堆是ITER特有的。就发电来说，斯泰西认为ITER在经济上竞争性不强，“但在以中子源比较参数上ITER占优。因为在混合反应堆中，大部分中子都是由裂变提供的。”
混合反应堆设计：左侧下方是乔治亚理工学院设计的聚变-裂变混合反应堆，环状反应堆芯（或称裂变再生区）位于托卡马克磁体内部，将等离子体包围起来。左上是得克萨斯大学的设计，他们使用球形环，也有处在磁体外面的裂变再生区。右侧是劳伦斯实验室的混合反应堆设计模型，激光聚焦在混合燃料球上产生聚变反应，产生的中子将会引发反应堆再生区的裂变反应
在其他一些方案中，如得克萨斯大学设计的混合反应堆，其再生区置于磁场外部（使用一个球形环而非托卡马克）；对裂变部分，回收的燃料来自轻水反应堆。马哈简说：“我们设计的聚变中子源不仅体积更小，其能量密度也大得多，几乎是其他设计的5倍。”他的方案目前吸引了多个国家实验室的参与者。
正因为它的致密性，得克萨斯大学混合反应堆的聚变部分可以1——2年替换一次，减少了花费在测试材料上的时间和减缓了承受太多的中子碰撞。马哈简表示，这种反应堆的另一优势是放射性元素钚可以在轻水反应堆中处理掉，不用在混合反应堆中循环，大大减少了增殖反应带来的危险。
“最重要的是，我们的方案支持系数（指方案中保证废料被处理的轻水反应堆的数目）能达到15——25，相比之下增殖反应堆只有3——4，”马哈简说，“而且极具经济优势，其燃料循环系统可以处理大部分有毒燃料，包括超铀元素。”
LIFE的第二春？
作为公众关注度最大的项目――NIF，劳伦斯实验室的激光聚变引擎（LIFE）吸引了很多媒体的注意（引导惯性约束聚变产生的中子进入裂变的再生区）。NIF于5月29日落成，预计今年秋天开始引人注目的点火计划――将192个超强激光器聚焦在一个氢燃料球芯上，以产生核聚变。摩西指出：“惯性约束聚变（ICF）燃烧能够产生大量中子，这是LIFE工作的关键所在，由于中子没有地方可以逃逸，因此我们可以利用所有的中子。”
基于磁约束聚变的混合方案在处理燃料过程中，可以将超铀元素和裂变产品分开，以减少吸附中子的物质。斯托姆表示，这是真正的聚变机器。LIFE可以处理任何核燃料，包括铀、钚以及经过回收处理的废燃料。“它能在纯聚变模式，或者联合模式，或者政府指定的任何形式的裂变再生区运行。”
许多科学家认为，劳伦斯实验室有点迫不及待，在LIFE之前，首先应该证明NIF能够点火成功。“在演示中将那个‘小球’打爆之前，我想应该保持谨慎。”斯坦福直线加速器中心（SLAC）主任伯顿·里克特（Burton Richter）说。
即使点火成功，LIFE也面临着技术、政治和财政等方面的障碍。“他们必须研发出一种全新的激光器，靶室中的碎片也必须及时清除以及脉冲必须按照频率自动进入靶室，”里克特说。一旦这些问题都得到解决，还有其他的问题需要考虑。譬如，第一道屏障能否承受如此大的中子流。
由于劳伦斯实验室对相关细节守口如瓶，使一些研究聚变的科学家一时难以对LIFE作出判断。马里兰大学帕克分校的罗纳德·萨迪夫（Roald Sagdeev）称，LIFE是一部科幻小说，至少在正式点火成功之前，“我的许多朋友认为LIFE所面对的挑战将是难以克服的”。一些科学家因此怀疑劳伦斯实验室如此热心于LIFE是否在寻找新的理由，即为NIF项目争取数十亿美元的后续经费，并认为将LIFE演示时间定在2022年不切实际。
劳伦斯·利弗莫尔实验实点火装置（NIF）外景图
然而斯托姆却认为，令他夜不能寐的既不是技术问题，也不是时间的日趋临近，而是能否争取到政府的资金投入。如果像“曼哈顿”计划那样得到政府的支持，在10——12年里就能完成LIFE项目。“这需要类似爱因斯担的信函（1942年爱因斯坦致信美国总统罗斯福，建议美国应抢在德国之前研制出原子弹），当NIF点火之时，我们也需要得到奥巴马总统的支持。”
众说纷纭
同样，磁约束聚变也存在技术障碍。就托卡马克设计来说，ITER还有近10年的时间才能完成，目前也没有实施得克萨斯大学球形托卡马克的计划。再有，燃料的再处理也是磁约束聚变混合设计的限制因素。斯泰西说：“在技术上，我们还需要大约10——15年才能让混合反应堆变得可行。”而且美国现在还没有开展对核废料的回收再处理，因为政府还没决定钚究竟是“朋友”还是“敌人”。
“我疑虑的是，裂变、聚变混合的最佳点在哪？”考利说，“其中聚变成分是多少，裂变又是多少？如果聚变系统很完美，为什么要如此麻烦地引入如此多的复杂因素――铀、回收处理和有毒材料等？如果可以进行纯聚变反应，就没有理由设计混合方案；然而纯聚变究竟有多难以及难点在哪？这些都是需要提及的问题。”
另一个是价格问题。“不管中子源是什么样，回收处理和核嬗变都需要大量的资金。如果你将足够的钱砸向其中任何一种技术，或许可以推动其发展，但这可能是个无底洞，”科学关注联盟高级研究员埃德温·莱曼（Edwin Lyman）说，“为了走出气候变暖的困境而选择更复杂的核系统，这不是最好的方向。”
作为总统核武器和能源问题顾问，理查德·加文（Richard Garwin）是混合反应堆的坚定支持者。“尽管在聚变和裂变之间我更倾向于聚变研究，但混合反应堆试图解决所有的问题，”加文说，“我相信混合反应堆弥补了裂变和聚变最糟的地方。”包括许多科学家也对混合反应堆持支持态度并为之辩护。弗雷德伯格注意到，混合反应堆“以前在裂变行业内并不受欢迎。”但情况在变，他说，“但愿我们不急着需要它。因为我不认为我们会很快制造出来，相信随着时间的积累，相关技术会逐渐地完善。”
资料来源 Physics Today
责任编辑 则 鸣