聚變能源與裂變能源
鈾-235等重原子核裂變時(shí),會(huì)產(chǎn)生200多種放射性同位素。雖然大部分同位素半衰期短,可以在很短時(shí)間內(nèi)衰變,但仍有一些,主要是錒系元素的半衰期長(zhǎng),會(huì)對(duì)人類(lèi)造成幾百萬(wàn)年的危害。除了放射性外,裂變堆的核燃料及裂變產(chǎn)物如钚等,還有很強(qiáng)的化學(xué)毒性。我們說(shuō)裂變堆很清潔,是由于它層層設(shè)防,對(duì)放射性物質(zhì)采取了嚴(yán)格的隔離措施。而氘、氚等聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的氦,是沒(méi)有放射性的。如果我們不在聚變堆中加入鈾、釷等裂變材料,那么聚變堆產(chǎn)生的放射性廢物,主要是泄漏的氚,以及聚變時(shí)釋放的中子、質(zhì)子,引起聚變堆結(jié)構(gòu)材料活化而生成的。聚變堆產(chǎn)生的放射性,比裂變堆少得多。聚變堆由于活化產(chǎn)生的放射性廢物主要是固體。而裂變堆產(chǎn)生的放射性廢物,加上裂變堆核燃料后處理過(guò)程中生成的廢物,不少是氣體和液體。氣體或液體放射性廢物的處理,比固體困難些。
裂變堆如果冷卻劑的循環(huán)遭到破壞,即使反應(yīng)堆停堆,由于放射性衰變的余熱得不到冷卻,堆芯溫度還會(huì)上升,使燃料元件燒毀,造成放射性物質(zhì)外逸。美國(guó)三里島核電站的事故,就是這么造成的。聚變堆沒(méi)有余熱,即使冷卻劑喪失,也不可能出現(xiàn)三里島那樣的事故。
在可以預(yù)見(jiàn)的地球上人類(lèi)生存的時(shí)間內(nèi),水中的氘,足以滿(mǎn)足人類(lèi)未來(lái)上千億年對(duì)能源的需要。因此地球上的聚變?nèi)剂,?duì)于滿(mǎn)足未來(lái)的需要來(lái)說(shuō),是無(wú)限豐富的;聚變能源的開(kāi)發(fā),將“一勞永逸”地解決人類(lèi)的能源需要。
在地球上的自然條件下由于原子核之間的靜電斥力,以及地球上的引力太小,在地球上的自然條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)聚變。因而在地球上可以實(shí)現(xiàn)裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng),但是只能在人工的條件下實(shí)現(xiàn)。目前主要有磁約束、慣性約束和μ介子催化等途徑可以實(shí)現(xiàn)聚變。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的努力,雖然有些途徑已顯示出勝利的曙光,但要發(fā)展到實(shí)用階段,還有一段艱難的道路。
受控聚變的研究之所以如此艱難,一個(gè)根本的原因,是由于所有原子核都帶正電。核力是一種短程力。2個(gè)帶正電的原子核互相接近時(shí),它們之間的靜電斥力也越來(lái)越大。只有當(dāng)它們之間互相接近的距離達(dá)到大約萬(wàn)億分之三毫米時(shí),核力才能起作用。這時(shí)由于核力大于靜電斥力,2個(gè)原子核才能聚合到一起,放出巨大的能量。由于2個(gè)原子核聚合前首先要克服強(qiáng)大的靜電斥力,所以在地球上現(xiàn)有的條件下,很難發(fā)生聚變。為了實(shí)現(xiàn)鈾-235、钚-239等的裂變,不需要入射中子及靶原子核具有任何動(dòng)能;而為了使2個(gè)原子核聚變,首先必須使兩個(gè)原子核的一方或雙方有足夠的能量,去克服彼此之間的靜電斥力。這就是全部癥結(jié)之所在。
聚變能量
等離子體
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