浅析NASA的聚变能源新捷径

一个多世纪前，物理学家首次提出了氢元素聚变成氦从而为太阳提供能量的猜想。研究人员花了很多年的时间才揭开秘密，原来是恒星内部较轻的元素碰撞成较重的元素，并在这个过程中释放能量。

科学家和工程师继续研究太阳的聚变过程，希望有一天能利用核聚变发热或发电。但以这种方式能源需求的前景仍然非常渺茫。

相比之下，从核裂变中提取能量相对较快。1938年在德国发现了铀裂变，仅仅4年后的1942年，第一座核反应“堆”就在芝加哥建成。

目前，全世界运行的裂变反应堆大约有440座，合计可以发电约400千兆瓦，其碳排放量为零。尽管这些裂变发电厂有很大的价值，但也有相当多的缺点。其使用的浓缩铀燃料必须安全存放。

类似乌克兰切尔诺贝利和日本福岛的破坏性事故会使很多地区变得不适宜居住。裂变废物的副产品也需要经过安全处置，而且其放射性会持续数千年。因此，政府、大学和企业长期以来一直希望通过聚变来解决这些问题。

美国国家航空航天局（NASA）也是其中之一。

NASA的外太空旅行的能源需求很大，包括月球和火星探测器以及载人任务。60多年来，光伏电池、燃料电池或放射性同位素热电式发电机（RTG）一直在为航天器提供动力。

RTG依赖的是非裂变钚-238衰变时产生的热量，而且经证明它的寿命极长，例如，“旅行者”号探测器都使用了这种发电机，并且在发射近45年后依然在运行。

但这些发电机将热能转化为电能的效率约为7.5%。现代航天器需要的功率超过了一般尺寸RTG所能提供的功率。

晶格约束聚变（LCF）有望成为一种替代方案，这是一种核燃料被束缚在金属晶格中的聚变。这种约束会促使带正电的原子核发生聚变，因为导电金属的高电子密度会降低两个原子核在靠近时相互排斥的可能性。

比如，我们与克利夫兰NASA格伦研究中心的其他科学家和工程师正在研究这种方法未来是否能为火星表面运行的小型机器人探测器提供足够能量。

LCF将消除对浓缩铀等裂变材料的需求，这些材料的获取成本高且难以安全处理。

LCF有望比其他利用核聚变的策略更便宜、更小、更安全。随着这项技术的成熟，它也可以在地球上找到用武之地，比如用作单个建筑的小型发电厂，这将减少对化石燃料的依赖，提高电网的弹性。

长期以来，物理学家一直认为聚变应该能够提供清洁的核能。毕竟太阳就是这样产生能量的。但是太阳具有巨大的体积优势，其直径近140万公里，其等离子体核心的密度是液态水的150倍，且温度高达1500万摄氏度。太阳利用热量和引力将粒子凝聚在一起，以此保持聚变燃烧。

在地球上，我们缺乏以这种方式生产能源的能力。要实现净正能量输出，聚变反应堆需要达到燃料颗粒密度、约束时间和等离子体温度的临界水平，这些条件以创造者约翰?劳森（John Lawson）的名字命名为“劳森判据”（Lawson Criteria）。到目前为止，还没有人能实现。

聚变反应堆通常使用两种不同的氢同位素：氘（一个质子和一个中子）和氚（一个质子和两个中子）。它们会聚变成氦核（两个质子和两个中子，这样的氦核也被称为“阿尔法粒子”），剩下一个未结合的中子。 现有聚变反应堆依靠产生的阿尔法粒子及其产生过程中释放的能量来进一步加热等离子体。

然后，等离子体将驱动更多的核反应，最终目标是提供净功率增益。但其中也有局限性。即使在反应堆能够产生的最热的等离子体中，大多阿尔法粒子也会跳过额外的氘核，而不会传递太多能量。聚变反应堆要成功，就需要在阿尔法粒子和氘核之间产生尽可能多的直接碰撞。



20世纪50年代，科学家们制造了各种磁约束聚变装置，其中最著名的是安德烈?萨哈罗夫（Andrei Sakharov）的托卡马克和莱曼?斯皮策（Lyman Spitzer）的仿星器。撇开设计细节上的差异不谈，它们都在试图做一件几乎不可能的事：将气体加热到足以使其变成等离子体的温度，并对其进行足够的磁力挤压，从而引起聚变，且不让等离子体逃逸。

20世纪70年代出现了惯性约束聚变装置。这种装置使用了激光和离子束在直驱内爆中压缩目标表面，或者在间驱内爆中为内部目标容器提供能量。

与磁约束反应可以持续数秒甚至数分钟（甚至可能持续1天）不同，惯性约束聚变反应在目标解体前持续不到1微秒就结束了。

这两种装置都可以产生聚变，但到目前为止，它们无法产生足够的能量来抵消启动和维持核反应所需的能量。

换言之，输入的能量大于输出的能量。结合了这两种方法的“磁惯性聚变”面临着同样的问题。 当前的聚变反应堆也需要大量氚作为其燃料混合物的一部分。

氚最可靠的来源是裂变反应堆，这在一定程度上违背了使用聚变的初衷。

这些技术的基本问题在于，要克服库仑势垒，即带正电的原子核相互排斥的自然趋势，反应堆中的原子核需要有足够的能量，也就是足够热。

由于库仑势垒，聚变原子核的聚变截面非常小，这意味着两个粒子聚变的概率很低。我们可以将等离子体的温度升高到1亿摄氏度来加大横截面，但这需要巨大努力来约束等离子体。

就目前的情况来看，在投资数十亿美元和数十年的研究之后，这些我们称之为“热聚变”的方法依然有许多需要改进之处。

在地球上实现热聚变确实面临巨大的障碍。

可以想象，在航天器中面临的障碍会更大，因为航天器无法携带托卡马克或仿星器。裂变反应堆被视为一种替代方案，2018年，NASA在内华达国家安全区使用一个纸巾卷大小的铀-235堆芯成功对Kilopower裂变反应堆进行了测试。Kilopower反应堆可以产生高达10千瓦的电力。其缺点是它需要高浓缩铀，会带来额外的发射安全问题，而且这种燃料成本高昂。

即使传统的聚变方法没有希望取得成功，但聚变仍然可以发挥作用。

LCF小巧、轻便、简单，可用于航天器。 LCF的工作原理是什么？上文所述的氢的同位素氘，其原子核中有一个质子和一个中子。氘化金属（在我们的实验中是铒和钛）已经充满了氘或被剥离了电子的氘原子（氘核）。这是可能的，因为金属天然地存在于一个规律间隔的晶格结构中，这就在金属原子之间创造了同样规律的凹槽，以便氘核嵌套。 在托卡马克或仿星器中，热等离子体的密度限制为每立方厘米1014个氘核。惯性约束聚变装置可以瞬间达到每立方厘米1026个氘核的密度。

事实证明，像铒这样的金属可以无限地以每立方厘米近1023的密度容纳氘核，远高于磁约束装置所能达到的密度，仅比惯性约束装置所能达到的密度低3个数量级。关键是，这些金属可以在室温下容纳那么多离子。

氘核饱和金属会形成带有中性电荷的等离子体。金属晶格会对氘核进行限制和电子屏蔽，使相邻的氘核（都带正电）无法“看到”彼此。这种屏蔽增加了更多直接碰撞的机会，能进一步促进聚变反应。如果没有电子屏蔽，那么两个氘核就更有可能相互排斥。 通过一个屏蔽了密集的冷氘核等离子体的金属晶格，我们可以使用地纳米电子束加速器来启动聚变过程。

电子束会撞击钽靶并产生伽马射线，然后照射拇指大小、装有氘化钛或氘化铒的小瓶。 当能量充足的伽马射线（约2.2兆电子伏）照射到金属晶格中的一个氘核时，氘核会分裂成组成它的质子和中子。中子可能会与另一个氘核碰撞，使其加速，就像台球杆击球时会使球加速一样。

然后，第二个高能氘核将经历以下两个过程之一：屏蔽聚变或剥离反应。 我们在实验中观察到，在屏蔽聚变中，高能氘核与晶格中的另一个氘核发生了聚变。聚变反应将产生一个氦-3核和一个剩余中子，或一个氢-3核和一个剩余质子。这些聚变产物可能与其他氘核发生聚变，产生一个阿尔法粒子，或与另一个氦-3核或氢-3核发生聚变。

每一次核反应都会释放能量，帮助促进更多的聚变发生。 在剥离反应中，原子（比如我们实验中的钛或铒）会从氘核中剥离质子或中子，并捕获该质子或中子。铒、钛和其他较重的原子会优先吸收中子，因为质子被带正电的原子核排斥（称为“奥本海默-菲利普斯反应”）。虽然我们还没有观察到这一现象，但理论上来说，电子屏蔽是有可能会使质子被捕获，从而将铒转化为铥，或将钛转化为钒。这两种剥离反应都会产生有用的能量。

为了确保我们的氘化铒和氘化钛小瓶中确实产生了聚变，我们采用了中子谱学。这项技术可以检测聚变反应产生的中子。当氘核-氘核聚变产生氦-3核和中子时，该中子的能量为2.45兆电子伏（MeV）。因此，探测到2.45 MeV的中子时，我们就知道聚变已经发生了。当时我们在《物理评论C》上发表了该项初步研究成果。

由于电子屏蔽，氘核似乎是在1100万摄氏度下发生聚变的。但实际上，金属晶格比这个温度低得多，尽管氘核聚变时，它的温度会从室温升高一些。 总体来说，在LCF中，大多数加热发生在直径仅几十微米的区域。这比磁约束或惯性约束聚变反应堆的效率要高得多，这两种反应会将整个燃料加热到非常高的温度。LCF不是冷聚变，它仍然需要高能氘核，并且可以使用中子来加热它们。但是，LCF也消除了许多阻碍其他聚变计划成功的技术和工程障碍。



虽然我们一直使用的中子反冲技术是将能量转移到冷氘核中的最有效的方法，但地纳米产生中子需要大量的能量。还有其他低能方法可以产生中子，包括使用同位素中子源（如镅-铍或锎-252）来引发反应。我们也需要实现反应的自我维持，这一点通过使用中子反射器将中子反射回晶格也许能实现，碳和铍是常见的中子反射器。另一个选择是将聚变中子源与裂变燃料结合，充分利用二者的优势。

无论如何，要提高这些晶格约束核反应的效率，我们还需要做更多的工作。 我们还通过将氘气泵入薄薄的钯银合金管，并通过电解将氘装入钯中来触发核反应。在后一个实验中，我们探测到了快中子。电解装置正在使用上述中子谱学检测方法来测量这些中子的能量。

根据能量测量结果，我们将了解是哪种核反应产生了这些能量。 不光是我们在做这些研究。加州劳伦斯?伯克利国家实验室的研究人员在谷歌研究院的资助下，通过类似的电子屏蔽聚变装置取得了良好的成果。马里兰州美国海军水面作战中心印第安霍德分部的研究人员也通过对LCF使用电化学方法取得了初步的积极结果。还有即将召开的会议也在关注这方面的进展：今年5月在克利夫兰举办的美国核学会“核与新兴空间技术”会议，以及7月在加州山景城举办的着重讨论固态能源的“第24届国际冷聚变会议”。

LCF的任何实际应用都需要高效、自持的反应。我们的工作只是实现这一目标的第一步。如果反应速度得到显著提高，LCF可能会为清洁核能的生产打开一扇崭新的大门，它将既可以用于太空任务，也可供地球上许多人使用。






审核编辑：刘清