人類現在正在美美構想一種能源技術,像太陽那樣以清潔無污染的方式,持續為我們的生活提供無盡能量。
如果放在百年前,可能還是白日做夢,但是如今以人類的科技已經可以實現這個“人造太陽”瞭!它就是可控核聚變技術。
然而,正當我們狂喜的時候,一個噩耗傳來:原來可控核聚變所需的原料“氚”,在地球上的含量撐死也就幾公斤。俗話說巧婦難為無米之炊,難道我們全人類的人造太陽計劃就要這樣胎死腹中瞭嗎?
“人造太陽”到底是什麼?
太陽之所以能夠持續發光發熱,是因為內部的氫原子在極端條件下發生聚變,轉化為氦,並釋放出巨大的能量。可控核聚變技術,巧妙地模擬瞭此過程,讓氫的兩種同位素——氘和氚,在高溫等離子體中相遇並融合,轉化為氦核和高速中子,同時釋放出驚人的熱能。
這一轉化過程,近乎完美地避開瞭有害輻射,真正實現瞭能源的清潔與可持續。而且可控核聚變的原料來源廣泛,且易於獲取。氘是氫的一種同位素,含有一個質子和一個中子,與普通的氫(僅含有一個質子)不同。
氘的資源相當豐富,它主要存在於水中,約占地球水體中氫原子的0.015%。這一比例雖然看似微小,但由於地球水體龐大,實際上氘的總量非常可觀。氘可以通過對海水進行電解或化學分離來提取。提取過程中,氘被從普通氫中分離出來,形成高純度的氘,這一過程技術成熟且經濟可行。
氚是氫的一種放射性同位素,含有一個質子和兩個中子。在自然界中,氚的存在極其稀少,因此需要人工制備。科學傢們主要通過鋰的中子捕獲反應,來產生氚。遺憾的是,氚的消耗速率遠超其自然形成的步伐,這使得在推進可控核聚變技術時,必須面對氚資源短缺的嚴峻問題。
在可控核聚變的宏偉藍圖中,氚扮演著至關重要的角色。氚獨特的單質子加雙中子的結構,在高溫高壓的催化下,一旦與氘相遇,便能引發核聚變反應,釋放出驚人的能量。
然而,氚卻自帶兩重挑戰。氚在自然界中極其不穩定性,讓存儲與利用成為技術難題;其次是自然界中,氚的身影難覓,且因半衰期短暫,僅約12年。氚在地球的現存儲量,捉襟見肘,預計僅能支撐未來數十年的核聚變探索。
人類智慧能否打破稀缺困局?
對於前沿核聚變項目,以及未來可能出現的更高級反應堆,穩定的氚供應,是維持高溫等離子體狀態、確保能源輸出的關鍵。一旦氚供應不足,這些反應堆的發電能力,將受到嚴重影響。
在自然環境中,氚的分佈極為有限,幾乎可以忽略不計。無論是大氣還是水體,都難以直接提供足夠的氚資源。自然生成的氚,主要依賴於宇宙射線與大氣氮元素的相互作用,但這一過程產生的氚,量極少,且分佈不均。
而現有的生產途徑——利用核反應堆副產物,通過中子與鋰的復雜反應制取氚,雖可行,卻飽受效率低、成本高、資源緊張的困擾。在此背景下,探索新型氚生產技術,成為破解可控核聚變商業化難題的關鍵。
氚的主要制備方法,主要依賴於鋰-6同位素的核反應。在這一過程中,當氘和氚在核聚變反應中結合時,它們會生成一個氦原子和一個高能中子。這些高能中子隨後撞擊鋰-6同位素,引發核反應。這種反應生成瞭更多的氚和氦。
如今科學傢們夜以繼日地,研究如何優化這一核反應過程,力求提升氚的生產效率,確保未來核聚變研究與應用的燃料供應無憂,有效地解決氚資源的短缺問題,為核聚變能源的開發奠定基礎。
鋰-6同位素的核反應雖然在理論上可行,但在實際操作中面臨許多技術難題。首先,鋰-6必須在高溫或高輻射環境下才能保持穩定,其處理和儲存要求極高的技術支持。其次,由於鋰-6的自然豐度有限,因此需要大量的鋰材料進行反應,增加瞭生產成本和技術難度。
此外,生成的氚,必須迅速從反應堆中分離和回收,防止其在反應堆內進一步衰變。為瞭實現這一目標,科學傢們正在研發高效的冷卻和分離技術,例如通過液氮,或液氦冷卻系統降低反應堆溫度,使氚凝結並提取。氣體分離技術,如氟化物膜和金屬有機框架(MOFs),也在不斷優化,以提高氚的回收效率。
在傳統制備方法之外,科學傢們還不斷探索創新途徑。他們巧妙運用等離子體控制技術,通過精確調控電磁場,引導中子撞擊鋰材料,提升氚的生產效率。此外,還有研究團隊致力於開發新型材料,讓中子在反應堆內循環往復,參與多次反應,以最大化氚的產量。
展望未來,氚生產技術有望實現重大突破,達到工業化生產水平。模塊化氚生產反應堆的構想,可根據需求輕松擴展,適用於不同規模的氚生產任務。此外我們還可能將氚生產,無縫融入核聚變電站等能源系統,實現能源的全方位整合與高效利用,推動全球能源結構的轉型。
通過這些技術進步,氚的穩定供應將得到保障,為核聚變能源的廣泛應用奠定堅實的基礎,還將為醫學、科研和工業等多個領域提供重要的氚資源支持。氚在醫學領域扮演著重要角色。例如,在癌癥治療中,氚標記的藥物,可以精確地定位並殺死癌細胞,提高治療效果並減少副作用。
中國探月計劃:一箭不止雙雕
還有一個更具遠見的設想,那就是人類可以在月球上,建立氚提取和生產基地。月球,特別是其極地區域,隱藏著驚人的氦-3與氚資源。這兩種元素在月球上,尤其是氚的含量,達到瞭地球表面可探測濃度的數百倍之多。
氦-3,作為一種稀有且非放射性的同位素,是核聚變反應中極具潛力的燃料之一。相比其他核能技術,氦-3參與的核聚變反應不僅能量巨大,而且幾乎不產生長壽命的放射性廢物,因此被視為未來清潔能源的“聖杯”。而月球上豐富的氦-3儲量,使得月球成為瞭人類尋求可持續、清潔能源供應的重要目標。
與此同時,月球上的氚資源同樣引人註目。太陽風中的高能質子,與月球表面的氫和氦發生核反應,形成氚。由於月球的薄重力和無大氣環境,氚在月球表面得到瞭有效積累。月球極地的陰影區域,稱為冷陷區,溫度低至接近絕對零度,形成瞭天然的氚存儲庫。
科學傢推測,月球冷陷區蘊含的氚資源,足以支撐人類未來數百年的核聚變研究和應用。為瞭開采這些寶貴的氚資源,科學傢設想,利用特制的挖掘設備和低溫技術,對月球表面的土壤和巖石進行加熱和冷凝處理,從而有效地將氚分離出來。
當氚以氣體的形態被分離出來後,迎接它的是精密設計的冷凝系統。氣化後的氚氣,通過冷凝系統被冷卻至極低溫(接近絕對零度),形成固態或液態氚。整個冷凝過程,需在嚴格的真空環境中進行,確保氚不受任何外界雜質的侵擾。
對月球氚資源的開采與利用,安全儲存與高效循環利用是重要的環節。氚提純後,需儲存在高密封性容器中,以確保氚的安全儲存和運輸。月球表面相對貧瘠的地質條件,不像地球一樣需要考慮環境問題,開采過程中產生的輻射廢料,可以被直接用於月球基地的基礎設施,實現資源的最大化利用。
中國探月工程,已經將月球氚資源的探測與開發,納入未來的關鍵任務之一。我們可以預見一個充滿希望的未來:中國月球挖礦車,將在月球表面自由馳騁,將寶貴的氚資源一一收入囊中。這些氚資源不僅將被送回地球,更有可能直接供應給太空中的核聚變反應堆,為人類社會的可持續發展註入新的動力。
參考資料:
氚化學與工藝學國防工業出版社 2015
#尋找熱愛表達的你#