加速器结合反应堆:能量放大器!
发布时间:2018-04-12
出品:科普中国
制作:寒木钓萌
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  在《如果一个人能连续不断地生产无限量中子,他将成为怎样的富翁?》一文中,我们探讨了,中子不但是个大杀器,更是个变废为宝的金钥匙,它能把现在还烂大街的钍变成核燃料,也能把无法参与裂变的铀238变成裂变燃料,更能将很毒的乏燃料进行“焚烧”。 

  而现在的问题是:如何廉价、且稳定地产生大量中子。 

  中子哪里有?当然是在原子核中了,我们很难在市面上抓到哪怕1粒自由中子,即使你走运抓到了它,但你拥有它的时间绝不会超过14分钟42秒,超过这时间,它就变成了质子和电子,还有1个反中微子,有时还顺带一道伽马射线γ。 

  
中子衰变。 

  不过,获得中子有一个看似很笨,却极其有效的途径,这就是“打”。就像一棵结满密密麻麻苹果的树,你随便扔一块石头过去,怎么说也能将一两个苹果砸下来。 

  而你砸一次,到底能砸下几个苹果,其实跟三个因素有关。 

  一是,这树上的果子是否足够多,假设树上只有一个苹果,则你砸下来的概率几乎为零。因此,既然要砸,就得找那种果子很密的树。同理,当我们要选中一种原子核作为生产中子的对象时,也得找哪种核子比较多的元素,比如铅、汞等。铅的208个核子中,中子就占了126个。 

  二是,你用什么去砸。一块石头,还是一个馒头,这是天差地别的。因此,我们要想从原子核中砸出中子,那么选用什么东西去砸很关键。电子看来是不行了,它太轻。有人说这还不简单,用中子呀! 

  先不说,咱们现在明明是要生产中子。只说一点,给你一个中子,你扔得出去吗?中子不带电,你没法加速它。因此,要从原子核中砸出中子,最好的工具就是质子。 

  可问题又来了,要用质子去砸出中子,但前提是,我们得有很多质子,去哪里找?它们还是在原子核中呀。 

  这个倒是简单,因为氢只是一个质子和一个电子的结合体,只要把氢核外面的电子剥离,它就是纯种的质子了。 

  好了,现在目标靶已经有了,这就是铅。砸的工具就是质子。还剩下一个问题,如果你把质子软绵绵地扔出去,显然也是难以砸出中子的。所以…… 

  第三个影响因素就是,该怎么做,才能使出更大的劲扔质子。这就是加速器。 

质子加速器 

  使用加速器将质子束加速后,去撞击铅靶,经过计算(当然还有精确的测量),平均起来,1粒质子撞在铅靶上后,能砸出2030个中子,这很厉害了,真的。小时候我去偷别人家的梨,一块石头扔出去,顶多也就从树上掉下来三五个。 

   
补充一下,质子从铅核中砸出大量中子的过程叫做“散裂”,图片作者Anynobody

  虽然1粒质子扔出去能砸出2030粒中子,但我们绝不敢这样说,这些中子都能去把2030粒钍原子变成核燃料。 

  少算一点,假使1粒质子撞击铅靶产生的中子可让5粒钍原子变成铀原子,那这也是大赚的。因为一粒铀原子裂变会产生大约200兆电子伏的能量,这又是多大的能量呢? 

  Richard Rhodes的书《The Making of the Atomic Bomb》曾获得普利策非小说奖,而在这本书中,Richard Rhodes说,一粒铀原子裂变后的能量足以使一粒可见的沙子跳动。 

  最后,我们还没有算上1粒铀原子裂变后,又会放出23个新中子的事。总之就是,当我们使用一定的能量去加速质子,并让其轰击铅靶,从而产生大量中子,继而将大量钍变成核燃料时,得到的能量是多于所耗费的能量的,而此过程就是“能量放大器”。 

  首次提出“能量放大器”这个概念的时间上世纪九十年代初,提出者是曾获得诺贝尔奖的粒子物理学家卡罗·鲁比亚。 

  现在,“能量放大器”这个概念又被叫做“加速器驱动次临界反应堆”,简称ADS 

  现在我们知道了,所谓ADS,它其实是加速器和反应堆的结合体。这跟咱们熟悉的核电站有着本质的不同。 

  那么,ADS与大家的熟悉的传统反应堆相比,它有哪些潜在优点呢? 

本征安全性 

  早期的原子弹,比如“小男孩”,其使用的是“枪式”设计,弹体里面有两块铀235,但相隔一段距离,安全无事,起爆时,先是传统炸药爆炸,将其中一块铀射向另一块铀,导致大大超过临界质量而发生核爆,这就是超临界。 

  而传统反应堆属于临界反应堆,其自身产生的中子刚好能维持自身的连锁反应。无论如何,核电站都不会像核弹那般爆炸,这是由物理现象决定的。最厉害的核事故,切尔诺贝利,其事故原因是反应堆功率突然变大了,导致蒸汽聚集而爆炸,并非核弹中的超临界。 

  而有些核反应堆,其产生的中子无法维持自身持续的核反应,这样的反应堆称为次临界堆。 

  虽然现代的核电站不可能再发生类似切尔诺贝利那样的核事故,但是,甭管怎样,从安全性上来说,次临界堆大于临界堆。 

  ADS全称“加速器驱动次临界反应堆”,这意味着,ADS具有本征安全性,因为驱动的是次临界堆,只要把加速器断电,外部中子就瞬间消失了,而反应堆可在毫秒级的时间内停堆。当然,停堆后,反应堆还会有余热,但它不会再产生连锁反应,因为其之前本身就处于次临界状态,现在又停止中子供应,其安全性必然高于次临界状态。 

用途广泛 

  远期,待技术成熟后,加速器产生的大量中子可将蕴藏量是铀的34倍的钍变成核燃料,更可以将占99.27%的铀238变成可裂变的钚。 

  而近期,各国主要的研究方向是利用ADS“焚烧”乏燃料,这是当务之急。 

  若研制成功,则ADS可将乏燃料中那些半衰期高达数十万年的放射性废物变成几百年的短寿命废物,将短寿命废物变成裂变产物,并在此过程中发电。 

  除了以上两个作用,还有一个不太重要的作用,这就是给未来的聚变堆“造”燃料。 

  聚变反应有多种,比如两个质子(氢核)就能聚变成氘。然而这种聚变太难,只有太阳的内部才能有此神力。 

  对于人类来说,难度最低的方式是氘与氚的聚变。如果这种聚变不能实现,其他形式的聚变更是没戏。 

  但假如氘氚聚变实现了,那么,燃料也是个问题,氘可以从海水中提取,但氚的寿命只有12.32年,地球诞生之初就存在的氚必然是没了。而自然界中的氚,是宇宙射线轰击大气后的产物,极其微量。因此,还得人为造,方式就是用中子轰击锂。 

  根据1996年美国能源部的报告称,自1955年以来,美国生产了225公斤的氚。但由于衰变,每隔12.3年就减少一半,所以,其总量到1996年时只剩下大约75公斤了,而现在是2018年,剩下的就更少了,亏大了。 

  这就是说,ADS中的质子加速器未来可以较为廉价地生产氚,现做现用,性价比高。 

中国的启明星 

  ADS如此科幻,那么中国在这方面怎样? 

  根据中科院官网显示,中科院A类战略性先导科技专项“ADS嬗变系统铅基核反应堆零功率装置”,又叫“启明星Ⅱ号”,于2016年底首次实现临界。 

  2017317日,启明星II号进行了现场测试,并达标。 

  最后,ADS离不开强大的质子加速器。 

  201765日,国际首台25MeV连续波超导质子直线加速器通过达标测试。根据报道,这在国际上是第一次实现了超导直线加速器能量为25MeV的连续波质子束流。 

  注意,是连续波,不是时断时续的脉冲。 

  
图为25MeV连续波超导质子直线加速器,图片来自中科院。

  综上所述,中国团队在连续波超导质子直线加速器方面处于国际领先地位。

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