聚变裂变混合堆

1. 混合堆概念的提出

　　 氘、氚聚变不仅是一个巨大的能源，而且是一个巨大的中子源。我们可以利用聚变反应室产生的中子，在聚变反应室外的铀－238、钍－232包层中，生产钚－239或铀－233等核燃料。这就是所谓聚变裂变混合堆，简称混合堆。

　　混合堆是一个可供选择的堆型。铀－235原子核一次裂变，可以放出2.43个中子；氘、氚一次聚变，只放出1个中子，比铀－235一次裂变放出的中子少；但由于铀－235吸收中子后有一部分会变成铀－236而不裂变，所以铀－235每次平均要吸收1.175个中子才能裂变，要求铀－235质量大，如果按相同质量比较，氘、氚聚变放出的中子数，是铀－235裂变释放的净中子数的43倍以上。氘、氚聚变时释放的能量，80%变成聚变时放出的中子的动能。因而氘、氚聚变不仅释放的中子数量多，而且释放的中子能量高。铀－235裂变放出的中子能量大多为100～200万电子伏，而氘、氚聚变放出的中子，能量高达140O万电子伏。然而要直接利用高能量中子的这部分动能是很困难的。可是从生产核燃料的角度来看，一个聚变中子的作用比一个裂变中子的作用大得多。这是因为高能聚变中子轰击到铀－238及钍－232靶上，可以产生一系列串级的引起中子和核燃料增殖的核过程，释放出比聚变中子能量稍低但数量增加几倍的次级中子。这些次级中子，除了一部分仍可使铀－238及钍－232裂变继续放出中子外，还有一部分可以使铀－238及钍－232变成钚－239及铀－233等优质核燃料。

　　 在适当厚的天然铀靶内，一个聚变中子可以生产出22倍于它所携带的能量，并获得5个钚－239原子核。由于这个原因，如果在聚变反应室外放置一层足够厚的由天然铀、铀－238或钍－232组成的再生区，聚变产生的中子，就可以在再生区生产钚－239及铀－233，并释放出裂变能。这个再生区又叫混合堆的裂变包层。当然聚变中子也可以使再生区中的锂变成氚，补充氚的消耗。根据这种考虑，早在1953年，美国劳伦斯·利弗莫尔实验室的鲍威尔，就提出了建立聚变－裂变混合堆的建议。正是由于使用聚变产生的中子，有可能比军用生产堆生产出更多的核武器用的钚－239，所以美、前苏联、英聚变研究的早期，是高度保密的。后来看到这种方式一时难以成功，才互相解密，开展了大规模的国际合作。

2. 混合堆的相对优势

　　 快堆和混合堆一样，也是同时生产能量及核燃料的工厂。但和混合堆相比，快堆有3个缺点：第一，要有很大的初始装料，例如120万千瓦的“超凤凰”快堆，要装4吨核燃料；而混合堆不需要投入铀－235或钚－239等核燃料，可以直接用天然铀或核工业中积存下来的贫铀、乏燃料。第二，快堆倍增时间较长，要每过6年甚至30多年，才能增殖出一座相同功率的快堆用的核燃料。因此一座快堆增殖的核燃料除自身消耗外，只能在积累到一定量后，“养活”一座快堆；而混合堆生产的钚－239或铀－233，比相同功率的快堆多几倍到十几倍，因而可以用混合堆来“养活”几倍甚至十几倍于它的相同功率的压水堆或快堆；第三，快堆和压水堆一样，都要求在实现链式反应的状态下运行；而用混合堆生产钚－239或铀－233时，不需要达到实现链式反应的条件，因而有可能更加安全。

　　聚变堆为了获得有益的能量输出，要求聚变产生的能量，远大于为创造实现聚变的条件而消耗的能量。混合堆只要求聚变产生的能量与消耗的能量差不多相等就可以了，因而它对聚变的要求比纯聚变堆容易些。

　　目前的聚变技术，特别进展得比较快的托卡马克，虽然在个别孤立的指标上达到或接近于为设计混合堆所要求的条件，但是从工程观点来看，这些技术还远没有成熟。建造聚变－裂变混合堆的首要条件，是需要有一个聚变反应室作为堆芯，它能连续而稳定地提供大量廉价的中子。即使不能连续和稳定地运行，至少也应能按照需要周期地运行。而目前的聚变装置，都耗资巨大，虽然有可能在短暂的时间里提供相当数量的中子，却不能连续和稳定，或按照需要周期地运行。专家们估计，不经过30～40年的努力，要建造一个稳定、廉价的聚变中子源是不可能的。

　　对于以磁约束实现聚变的混合堆，从聚变区逸出的离子和中子，会使聚变反应室壁受到严重的辐照损伤。反应室壁受到轰击后溅射出来的杂质，进入等离子体后又会使聚变区温度降低而熄火；对于惯性约束，反应室壁受到的γ射线及离子射线的轰击也很严重。因此研究聚变区内约束等离子和实现聚变的条件，研究等离子体与聚变反应室壁的相互作用，是研制混合堆要解决的问题。

3. 混合堆的难题

　　由于聚变反应室壁和高温等离子体的相互作用，会使反应室壁发热。目前多希望用锂或锂的化合物来冷却它，以便在冷却反应室壁的同时增殖氘。估计在用锂冷却的条件下，反应室壁将达到800℃以上的高温，比目前钠冷快堆燃料元件包壳的使用温度高200多摄氏度。如此高的温度及高能中子、离子、γ射线和中性原子的轰击，使聚变反应室壁的工作条件，比裂变堆中的结构材料的工作条件苛刻得多。由于聚变反应室壁难以更换，为了满足经济运行的要求，希望反应室壁能长期工作，甚至工作到混合堆退役。目前这种材料还没有找到。因此研制反应室壁的结构材料，研究冷却剂对它的腐蚀，是实现混合堆的重要课题。

　　 对于磁约束的混合堆来说，如果采用液态锂作为冷却剂，由于它在强磁场中的磁流体阻力，要消耗大量的泵功率来驱使它流动，将严重影响其经济性的改善。

　　 如果在聚变反应室外加上裂变包层后，则上述问题更难解决。这是由于裂变包层中的铀和钍在聚变反应室放出的中子轰击下，有强烈放射性。对于托卡马克型聚变－裂变混合堆，如采用离子回旋加热，就会有数十甚至上百根巨大的同轴电缆要穿过裂变包层到聚变反应室。这种电缆除了会减少包层覆盖率外，电缆中的绝缘材料，也可能在强烈的中子轰击下破坏。目前还考虑用低混杂波电流驱动使托卡马克在接近于稳态的状态下运行。如果这样，则穿过包层的波导管会使裂变包层留下不少难以屏蔽的空洞，大量中子及γ射线从空洞中泄漏，使工作人员难以接近。其他类型的聚变－裂变混合堆也有类似问题。

　　由于混合的裂变包层是在没有链式反应的状态下运行，因而一旦出现链式反应的条件，就会形成切尔诺贝利核电站那样的严重事故。这是由于按照混合堆设计要求以及混合堆空间的限制，它不存在裂变反应堆那种紧急停堆保护系统。

　　 混合堆的裂变包层靠近聚变反应室一侧，由于中子通量高，因而功率比另一侧高得多。与裂变反应堆相比，混合堆裂变包层的功率分布的梯度大得多，功率分布的不均匀，给混合堆的运行造成了困难。

　　 由于上述原因，不少学者认为，混合堆不仅将聚变堆和裂变堆的优点结合在一起，也将两者的困难结合在一起。有的学者甚至认为，混合堆比纯聚变堆还困难。但不管怎样，混合堆仍然是一个可供考虑的途径。

4. 混合堆的不同类型

　　 根据混合堆裂变包层工作方式的不同，可将混合堆分为快裂变型混合堆和抑制裂变型混合堆。快裂变型混合堆就是利用聚变产生的高能快中子，在裂变包层产生一系列串级的核过程，大量生产钚－239或铀－233核燃料。与此同时，由于铀－238、钚－239或铀－233的大量裂变，也在裂变包层产生大量裂变热。抑制裂变型混合堆，则是在包层中放入大量的铍等慢化材料，使聚变产生的高能快中子很快慢化为热中子等能量低的中子。这些中子难以使铀－238、钍－232裂变，主要是使它们变成钚239、铀－233。通过频繁的后处理，将钚－239、铀－233及时提取出来，减少它们裂变的可能性。

　　快裂变型混合堆可以有效地生产核燃料，抑制裂变型混合堆不能有效地生产核燃料，而且过多地后处理使生产成本增加。但抑制裂变型混合堆由于裂变包层中裂变几率少，裂变热的产生也就大大减少，可以简化包层内裂变热的导出问题。

　　混合堆的发展中，需结合具体的堆型，研究堆的启动、控制、加料、能量的传递与转换、放射性屏蔽及检修等有关工程问题。托卡马克虽然目前比其他聚变途径成熟，但如果用托卡马克建造混合堆，结构复杂，不便进行混合堆的总体布置，维修困难。如果不采用昂贵的清除杂质的偏滤器，这种堆由于杂质的积累，再加上磁场的不稳定性，只能脉冲运行。由于脉冲运行，结构材料要经历温度循环和应力循环，而且冷却剂回路，要能够储存脉冲时产生的能量，以保证功率相对稳定的输出。串级磁镜混合堆，由于可以稳态运行，为实现聚变而消耗的能量的利用效率高，便于检修和屏蔽，将可能是有前途的堆型。