未来核能：快中子增殖反应堆与核聚变能的作用

快中子增殖反应堆和核聚变能同属未来的核能，它们在人类未来的能源供应中，可能起着举足轻重的作用。

1. 快中子增殖反应堆（Fast—Breeder Reactors）及其环境影响

前章提到，目前的热中子核反应堆所用铀﹣235的储量十分有限。它仅占天然铀的0.711％。而铀﹣238却占99.283％。增殖堆的目的就在于利用极为丰富的同位素铀﹣238进行裂变反应，而使可用的铀数量增加约140倍，从而核燃料的供应可维持二万多年。如不发展增殖堆，则全部裂变堆最终将由于燃料短缺而不得不停止运转。

除了成百倍地扩大铀储量这一优点外，增殖堆设计的温度也比轻水堆为高。如前所述，这将提高热能的利用效率（约达40％）；从而对环境的热污染也减轻了。

（1）增殖堆的核反应过程

上述增殖堆的发电成本与燃料价格几乎无关。这是因为它所产生的燃料比所耗用的多。其奥秘所在是增殖堆能将不裂变的铀﹣238转变为可裂变的钚﹣239，并在以后参加燃烧，而且所产生的钚﹣239要比所燃用的铀﹣238多。

能裂变的物质。如铀﹣235和钚﹣239称为易裂变的材料；而能够转变为易裂变材料的同位素，如铀﹣238，则称为能增生的材料或可转换的材料。可用于增殖堆的能增生的材料有两种；铀﹣238和针﹣232；但目前以前者发展较快。利用中子轰击产生裂变同位素的反应式如下：

在第一个反应式中，铀﹣238吸收一个中子，转变为铀﹣239。随后又自发地转变为镎﹣239，最后镎﹣239再转变为钚﹣239。钚﹣239虽然在自然界中不存在；但它比较稳定。半衰期为24390年。它也能吸收一个中子而裂变并放出能量。

这样用一个中子使铀﹣238转变为钚﹣239。再用一个中子使钚﹣239裂变。就是说，一次裂变共需要两个中子。如果这次裂变又释放出两个中子，那就会使另一个铀﹣238原子又转变为钚﹣239。并接着进行裂变。这样，就产生连锁反应。使核裂变连续进行下去。这就是增殖堆的工作原理，其关键是每次裂变需要两个以上的中子。

顾名思义，增殖堆裂变所产生的易分裂材料应比维持裂变反应所消耗的多；因此，为了达到增殖的目的，就要求有二个以上的中子参加裂变，让多余的中子使更多的铀﹣238转变成钚﹣239，而成为增殖的产品。

增殖过程中所产生的易裂变材料与所消耗燃料的数量比，称为转变率（Conversion ratio）或增殖率（Breeding ratio）；在本例中为1.5（即产生三个钚﹣239，烧掉两个）。

（2）增殖堆的操作特点与安全问题

同轻水堆一样，增殖堆最严重的一个不利因素仍然是靠裂变作用提供能源，从而带来放射性废物的运输和处置的问题仍待解决。而且由于使用年限延长许多，积存的放射性废物更多，进行处置，更为困难。再如冷却剂流失事故等可能引起外排放射性的危险。此外，增殖堆还有自身的特性，使问题更加复杂化。

①燃料堆芯需用不同的冷却剂。轻水堆（用铀﹣235作燃料）是利用低能量的慢中子引起裂变的，所以可用水作慢化剂。但增殖堆则需快（即高能）中子（故称快中子增殖反应堆或简称快增殖堆）才能引起裂变；因此，慢化剂需改用氦或液态钠。液钠冷却剂的一个麻烦是它变成了强放射性物质。因此，要特别注意封闭的问题。此外，液钠还能和水激烈反应，并在空气中自燃，稍有疏忽，便可能发生事故。

②轻水堆在水冷却剂发生流失事故时，因缺少慢化剂，堆便自动停车。增殖堆则不然，没有冷却剂照样裂变释热，可能熔毁。更严重的是，增殖堆中裂变材料的浓度比轻水堆高得多，熔融后可能几何变形而生成临界质量，使裂变作用失去控制而引起小规模的核爆炸。

③生产和处理大量钚﹣239的操作特别危险。钚﹣239是对人体最毒的物质之一。微克数量即能使动物致癌。如果吸入人体，则其α﹣放射性严重轰击肺部组织。致癌机率极高，其半衰期在24000年以上，这说明其放射性危害实际上是几乎不随时间而减弱的。美国到2000年，每年约生产一百吨钚﹣239。而国家防护标准规定全身照射不超过0.6微克。因此，对大量的钚必须严加管理，以免发生全球放射性污染的不幸事故。

④钚的生产是原子弹制造中最重要的一个步骤。大约7 10公斤钚即足够制造一颗原子弹。一般反应堆运转一年即可供制造十几颗原子弹。如果大量钚经常往返运送，就存在着可能被转移去秘密制造原子弹的危险。

2. 核聚变能及其环境影响

在讨论太阳能的时候已经提到，氘核（D2，即轻核）可以聚合为氮核（He4，即重核），并由于质量亏损而释放出能量，而成为太阳夺目光辉的能源，也是目前地球上热核武器氢弹的能源。核聚变过程目前虽然尚未能加以控制，但一般认为在本世纪末能够做到在工业上应用，从而使电力的来源不受限制。

（1）核聚变反应

目前正在研究配合利用（1He4）、锂（3Li6）和氢的重同位素氘（1D2）及氚（1T3）而产生的几种不同的聚变反应，其中以氘-氚反应和氘-氘反应较为理想，在天然水中含量极为丰富，而且提取也较经济。普通水中每6500个氢原子有一个氘原子，提取费用为8美分/克。(www.xing528.com)

氘—氚反应可以在较低的温度下进行：

1D2＋1T3→2He4＋n＋17.6Mev 　（7—8）

所以被认为是一个极有希望的聚变反应。氘原子与氚原子的每一次聚变都放出17.6Mev（百万电子伏特）的能量。虽然氘可以从天然海水中提取，但氚只能由人工制造。例如用中子轰击锂﹣6即可获得氚：

3Li6＋n→2He4＋1T3＋4.8Mev 　（7—9）

不过与氘相比，锂的资源是很少的。由氘-氚反应所得到的能量与化石燃料差不多，只能供应数百年。因此氘-氚反应不能彻底解决能源的问题。

如果只用丰富的氘同位素作为原始燃料，让两个氘原子聚合，可能发生如下两个反应：

1D2＋1D2→2He3＋n＋3.2Mev　（7—10）

1D2＋1D2→1T3＋P＋4.0Mev　（7—11）

反应（7—11）中生成的氚，又能与燃料中的氘反应（见式7—8）；而式（7—8）中生成的₂He3也能和氘反应：

1D2＋2He3→2He4＋P＋18.3Mev 　（7—12）

反应（7—8）、（7—10）、（7—11）、（7—12）的总结果就是

61D22He4＋2P＋2n＋43.1Mev 　（7—13）

即聚变后每个氘核产生约7.2Mev的能量。按此计算，1升海水所提供的能量约与330升石油所提供的相当。这样，海洋便成了人类用之不竭的能源了。

但是，要引发核聚变反应，必须具备两个条件：一是在一定的空间范围内要有足够多的轻原子核；一是必须使反应温度超过所谓“引燃温度”。氘—氚反应的引燃温度约为4×109度（绝对温度，下同），而太阳本身的温度不过2×109度左右。在这样的高温下，所有气体原子都以离子状态存在，成为等离子体。为了满足这两个条件，人们正在研究借磁场作用封装等离子。因此，这种“磁瓶”（Magnet bottles）的研制便成为实现聚变反应的一个关键向题。

（2）聚变能的环境问题

聚变能对环境的影响大致如下：首先，聚变反应不产生裂变碎片。所以其放射性问题不如裂变反应那样严重。当采用氘—氚燃料回路时。放射性氚（半衰期12年，β）的贮运是个问题，幸好可返回作燃料，而无须永久贮存。还有，因中子轰击所引起的反应器结构材料的放射性问题，也必须以某种方式定期将其取出以进行处置。

在安全方面，聚变反应堆不象裂变反应堆那样存在着偏离额定值的所谓功率聚增（Micleavexcursion）事故，也不存在象钚那样转变为核武器材料的问题。此外，更不存在来自阴谋破坏和天然灾难所造成的危险。由此看来，聚变反应也是较有希望的一种新的能源。

由于氘—氚聚变反应的热利用率为50～60％，它的热污染问题较其它任何发电方法为少。此外，还可以不通过蒸汽回路直接利用聚变能发电。例如，1971年波斯特（R.S.Post）曾提出将等离子体的带电粒子收集在电极上以造成直流电源。这样，热利用率可高达80～90％，从而大大减轻了热污染。

综上所述，核聚变能极可能成为未来的最终能源，至少在发电方面是这样的。聚变能发电不但在燃料供应上不受限制，而且对环境的影响也较少。不过，要发出大量的电力，仍然是许多年以后的事情。