[科普中国]-聚变燃料

发现历史

1931年在蒸镏液体氢时从残液中找到氘即氢的同位素氢2。1934年卢瑟福和澳大利亚物理学家奥利芬特(M.E.Oliphant，1901—)和化学家哈台克(P.Harteck，1922—)发现氘核相互撞击，可以得到氚。

对氘和氚的进一步研究表明，氘比氢更容易聚变为氦，而氚比氘还要容易发生聚变。不过氘和氚的聚变反应需要有极高的温度作先决条件，其中氚所要求的温度条件最低，但也要高达几百万度。

1944年费米通过计算指出，在地球条件下氘和氚一起聚变所需的“点火”温度为54万度，氘单独聚变所需的“点火”温度为4亿度。由于这样高的温度在当时是不容设想的，所以核聚变反应的研究便遇到了在当时来说尚无法克服的困难。

1952年美苏先后爆炸了氧弹，实现了热核聚变。以后，人们一直研究如何实现受控热核聚变，用来解决人类的能源问题。

聚变燃料氘氘（deuterium），氢（H）的同位素，也被称为重氢，元素符号一般为D或2H。氘原子核中有一个质子和一个中子，其相对原子量为普通氢的二倍。氢中有0.02%的氘，在大自然的含量约为一般氢的七千分之一。氘用于热核反应，聚变时放出β射线后形成质量数为 3 的氦，并在化学和生物学的研究工作中作示踪原子。氘被称为“未来天然燃料”。

氚元素氢的一种放射性同位素。符号，简写为3H，氚还有其专用符号T。它的原子核由一颗质子和二颗中子组成。氚的拉丁文名为tritium，意为“第三”又称超重氢。氚的质量数为3，在天然氢中，氚的含量为1×10-15%。1934年，英国E.卢瑟福等人在加速器上用加速的氘核轰击氘靶，通过核反应发现氚，美国W.W.洛齐尔等证实重水中存在氚，1939年美国L.W.阿耳瓦雷等证明氚有放射性。但是由于氚的β衰变只会放出高速移动的电子，不会穿透人体，因此只有大量吸入氚才会对人体有害。氚会发射β射线而衰变成氦3，半衰期为12.5年。氚可作为热核聚变反应的原料。2

储量氘和氚是聚变堆的主要燃料，每一升水中约含有毫克氘，通过聚变反应产生的能量相当于升汽油的热能。地球上的氘储量极其丰富，地球上仅海水中就含有亿吨氘。地球海水中所含的氘资源，如果用于聚变反应堆燃烧，可供人类使用上亿年。

氚在自然界中几乎不存在，目前主要通过聚变反应产生的中子与聚变堆包层中锂的发生中子吸收反应，以进行氚的增殖，实现聚变堆的产氚功能。

锂在地球上有比较丰富的储量，锂在地壳中约含其丰度居第位，在海水中大约亿吨锂。而我国可开采锂的储量超过数百万吨，地球上锂的储量如果用于聚变能，可以足够人类使用几千万年。1

优点氘氚聚变不同于铀钚裂变，主要产物为惰性气体氦，不产生温室效应气体以及其它污染物质，完全不生成放射性产物，不会对大气和环境造成污染。聚变堆运行过程中的放射性主要来自氚核的衰变，以及结构材料、增殖剂等在高通量聚变中子辖照下的活化产物。

与裂变堆相比，其活化产物多为短寿命核素，可以在较短时间内（数年到数十年）衰减至可操作控制水平。目前聚变堆首选结构材料为低活化结构材料，相比普通钢材，进一步降低了放射性水平。

另外，作为聚变燃料的氚，半衰期短暂（年），且衰变释放的电子能量低（平均基本不会造成人员外照射损伤，即使发生泄露事故，不会造成长时间的放射性污染与严重的放射性灾害。

污染清除核聚变反应堆使用放射性氚气体作为燃料，安全封闭氚气体是一个重要的课题。国际热核反应堆计划（ITER）的核聚变反应堆设施采取多重保护措施防止氚泄漏，同时利用高温使贵金属催化剂氧化，吸收其中水分的方法防止放射性泄漏给环境带来影响。原子能机构根据茨城大学完成的土壤中栖息的微生物，在常温下就可氧化环境中的氢气并将其转换为水的研究成果，与该大学共同研究利用这些微生物氧化与氢性质相近的氚以清除放射性污染。

原子能机构与茨城大学在森林中寻找到Kitasatospora属和Streptomyces属两种对氢的氧化能力超群，活动能力强的微生物，经过培养制造出的生物清除氚气实验装置在位于茨城县东海村的原子能科学研究所进行安全试验。实验证明这种新方法与以往的催化剂清除方式效果和速度大致相同，得到了与ITER氚清除装置相匹敌的效果。菌株在低温保存一年之后氚放射性清除效果仍保持在70%%的高水平。该技术实用化之后，将能够代替高温柜运送催化剂，不但能降低制造和运营成本，还可抑制催化剂产生的废弃物。该机构今后除继续耐久性实用研究外，还计划进行微生物处理氢及其他气体的研究开发。

独立行政法人日本原子能研究开发机构22日发表了该机构与茨城大学共同开发出利用微生物消除放射性核聚变燃料氚的新方法。这是原子能开发研究机构为防止核聚变反应堆燃料氚发生泄漏进行的安全性研究。这一成果可使放射性物质氚在泄漏后被有效清除并回收，清除效果与目前使用的封闭方法相同，但成本仅为目前方法的十分之一。利用微生物清除放射性物质属世界首创，可取代目前成本高昂的清除方法。