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第15章 能源新技术(2)

据英国VSEI公司报道,下一代小型潜艇将不会被声呐监测到。这家基地设在巴隆的公司计划用无声燃料电池代替现在一般潜艇用的高噪声柴油机和电池系统。这种燃料电池一次就能使潜艇在水下作业达三个星期,而且无需补充燃料,电池靠氢氧产生电能。

该公司计划采用先让煤气通过被加热的催化剂,然后再使其与水反应的方法来从液态甲醇中提取氢气,而氧气以液态形式储存在潜艇的绝缘罐中。

该公司发展部经理克莱夫·西摩说:“传统的燃料电池使用的是液态电解质,如果在潜艇的有限空间内泄漏,就会出现危险。而这种聚合物燃料电池所使用的是固态电解质,因而更安全、可靠。

室温核聚变

来自犹他州的激动人心的消息

通常认为,要将两个轻核用人为的方法聚在一起,从而获得聚变能,必须创造1亿摄氏度高温,使得氘和氚等气体变成等离子体,才可实现。

然而,1989年3月,从美国传出了一条振奋人心的消息。报告说:“美国犹他州的犹他大学两位科学家庞斯和弗莱希曼,将铂和钯电极插入重水中,通电之后,竟发现了核聚变的现象”。据说,放出的能量是输入的10~50倍,还有中子和射线放出。消息传出后,使世人为之一振。于是有数百个实验室立即进行重复实验,试图证明这种常温核聚变的可能性。犹他州也随后拨出450万美元给犹他大学作为研究经费。

过了一段时间之后,来自世界不同角落的消息有悲有喜。总结起来看,一些名牌实验室没有取得重复的实验结果,一些不出名的实验室反而报告说他们实现了重复实验。随之而来的是议论纷纷。有些科学家还试图寻找解释常温核聚变的理论。赞成常温核聚变存在的科学家认为,由于钯是一种很好的吸氢材料,当电极通电后,重水就会发生电离,氘就可能成为自由粒子状态,被吸入到钯的晶格的空隙中,成为间隙离子态,这就给氘与氚的紧密结合创造了一个良好的条件。也有人认为这还不够,也可能有μ介子参与这一反应。

持怀疑态度的科学家认为,这是一场电化学反应过程,根本不是什么常温核聚变,他们认为所测到的中子数比天然本底高不了多少,所测到的辐射线很可能是自然界氡所带来的。

为此,国际上举行了电化学家会议,对此举行了激烈的辩论,最后没有下明确的结论。尽管这次尝试尚未结出硕果,但科学家的努力将我们的眼界大大拓宽了,给人们一种极好的启迪,催促人们去寻找一种非常规办法,以解决人类最终的能源问题。

室温核聚变的突破性进展

日本大阪大学工学部的高桥亮人教授1994年1月27日在名古屋举行的“在磁场中的非线性现场应用问题国际会议”上发表了他的实验结果。实验使用的电解装置是以1毫米厚的高纯金属钯做阴极,阳极是白金线圈。电极全部浸在重水里电解。电极间通过的电流每6小时以0.25安培和4.2安培交替变动。

从1993年12月20日开始实验出现发热反应。0.25安培低电流时发生50~70瓦的热,4.2安培电流时发生200~250瓦的热。电解时使用的电力,在低电流时为1.25瓦,在高电流时为90~110瓦,所以放出的热量是以低电电解时使用电力的几十倍。

将放出热量减去消耗电量,平均盈余约150瓦,这部分功率产生余热。

从实验开始,放出的热能合计为200兆焦耳。

以核反应堆核燃料棒每1立方厘米产生的热量与这次实验相比,后者的单位比功率大10倍。

用精度最高的液体闪烁器测到了中子(中子被认为是发生核聚变反应的证据),因而确认了中子的发生。据测量,发热多则中子数减少,这两者关系也是首次查明的。另外,在实验过程中交换电极后,同样的发热反应继续不断,所以人们认为实验结果是能够再现的。

核聚变研究所教授池上英雄说:“中子和发热的关系这样鲜明地显示出来,这还是首次。”关于理论,虽然是大胆的设想,但很有趣。至于热功率达消耗的电力的几十倍,这是令人非常惊讶的。但是,要断定这是由于核聚变引起的,还需要继续研究。

日本电信电话公司(NTT)公布,利用简单装置得到大量能量的室温核聚变试验成功,核聚变时发生的4He和热量均经证实。迄今一直作为机理不明的发热反应,将使核聚变的可能性取得飞跃发展。

室温核聚变是在1989年由美国犹他大学和南安普敦大学的两位教授利用简单装置产生大量热后而发表的,并引起了一场大争论。但由于未观测到核聚变反应证据的4He或中子,被认为反应现象不清。而NTT则利用自身创制的实验手段测出了核聚变产物4He,且再现性好,从而解决了这一问题。

实验使用面积3厘米×3厘米、厚度为1毫米的钯板,一面涂以氧化膜,并使之吸收重氢至饱和程度后放于真空容器中,在吸收重氢的一面镀金以防止重氢的逸出。对钯板通电加热后,便可观测到4He,同时钯极亦温升100℃以上,从4He的发生量可计算出每秒核聚变的反应次数达千兆次以上。

对此,NTT推论,封闭于钯极中的重氢离子化后带有从高温向低温转移的特性,从而离子密度升高的局部,重氢离子互相碰撞而结合,从而引起产生4He的核聚变反应。

过去的室温核聚变常采取将水电解后并将重氢封闭于电极中的办法进行。由于无法和自然界存在的4He和中子区别,故难以证实。而这次NTT的试验可算出多少热量是由核聚变产生的,并有很好的再现性,故认为是成功的。如室温核聚变得以实用化后,则核聚变试验装置将可大大简化,这将对世界能源政策带来巨大的影响。

日本文部省核聚变科学研究所池上英雄教授最近向报刊记者系统地发表了他对常温核聚变的观点。他主张“能否产生过剩热的争论阶段已经结束,下一步应转向材料研究开发和弄清反应机理”。

对氢的吸收率是关键:从实验方面的结果看,只要选用合适的材料作电极,肯定会产生过剩热。如以钯为电极时,当氢的吸收率>0.9%时肯定会产生过剩热,但难度是如何使氢吸收率>0.9%。目前企业对此很关心,参加通产省组织的氢能研究组的共有15家(新日铁、日立、东芝、三菱重工、日本电话电讯、三菱原料、日本钢管、富士电机、东京电力、关西电力、中部电力、九州电力、北海道电力,东京煤气和大阪煤气等),其中有关能源的厂家更多关心其动向外,制造厂则在拼命探索。为顺应各厂要求,已委托能源综合工学研究所牵头研究并到国外进行了考察。

距实用还有相当长距离:目前可以完全再现的试验,产热量仅为输入的1.3倍,亦有达到2—5倍甚至10倍的,但很难再现。且往往在未预期时发生,或发生的热量难以控制,所以说产生热量和核聚变的关系尚不明。但从科学上看,产热量达1.1倍亦是很大的成就,而从实用看则很不足。

关键是机理不明:常温核聚变这一叫法欠妥,因为能量是否为核聚变所产生的目前证据尚不足。从实验中我们测到了氦、中子和氚,证明是起了核反应,但并非重氢核聚变的D-D反应;另产出过剩热已经证实,但尚不能说明两者的关系。

国际研究动态:尽管在一些国家还有人坚决反对常温核聚变的可能,但拥护的人在增多。美能源部一位局长最近就改变了看法,但他已经离开了能源部。马塞诸塞工科大学已请俄罗斯有造诣专家克狄洛夫来做试验。

核反应堆——人类充足的能源

核能是为人类提供长期、稳定和充足能源的有效途径,核能的利用要经历从热中子堆-快中子堆-聚变堆的三个发展阶段。

现在世界上正在运行的400多座核发电堆中,绝大部分是热中子堆。为了确保反应堆的安全,国际上正在寻求一种具有固有安全性的核反应堆,为了获取高温工艺用热,还在开发一种高温堆。从这些目的出发,现代的核反应堆正向先进反应堆发展。这些先进核反应堆有:先进压水堆、高温气冷堆、快中子增殖堆、聚变-裂变混合堆等等。

快中子增殖反应堆

快中子增殖反应堆与现有的热中子堆的根本区别是:快堆是直接利用裂变产生的快中子来轰击核燃料原子核使之发生裂变。这种堆的最大特点是:

每烧掉一个裂变原子可以产生一个以上的新的核燃料原子,利用这种堆发来电,除了自身发电外,还能增殖核燃料。

法国人把电功率25万千瓦的原型快堆取名为Phenix,翻译成中文叫“凤凰”,是传说中的吉祥鸟,西方称它为“不死鸟”。在埃及神话里,传说它生活在阿拉伯的沙漠中,每隔五百年自焚一次,然后又从死灰中复生。法国将快堆取名为“凤凰”和“超凤凰”是对快堆的生动正确的描绘。

世界上早在研究原子弹的初期就开始研究快堆,1951年建成的世界上第一座试验核电站(EBR-I)就是一座快中子堆核电站,它第一次为两排房子点亮了电灯,人类第一次享用了核电。

由于快中子堆技术复杂,从研究快堆原理至今已有40多年历史,还没有完成商业化推广使命。不过,现在全世界已经建成了20座快堆,其中法国的120万千瓦电功率“超凤凰”快堆,从1985年启动至今仍在顺利运行。现在,美国利用早期建设的试验快堆(EBR-Ⅰ),改装成EBR-Ⅱ金属堆芯试验电站,经20年研究证明,金属型燃料快堆将有较好的发展前途。用这种快堆可以将燃料倍增时间从原来的20年缩短到6~7年,如果这种快堆将来能够实现商用,将为增殖燃料作出重大贡献。

现在,快堆发展正处在商业应用前夜,预计到本世纪初期,可能逐步进入商业化应用。

高温气冷堆

现在,全世界普遍认为高温气冷堆是一种具有固有安全性的先进堆。这种堆采用涂敷颗粒燃料,氦作冷却剂,石墨作慢化剂,是一种热中子堆。涂敷颗粒燃料是一颗颗比小米稍小些的球体,它的芯子是二氧化铀燃料,外层涂上热解炭和碳化硅等坚固涂层,这些涂层将颗粒包住,裂变过程的产物都可以包在内,相当于一个小压力容器。将这些小涂敷颗粒弥散在石墨基体中,然后制成球状或块状燃料元件。

由于这种燃料基体石墨能耐3000℃高温,涂敷颗粒自身又可以耐烧,所以这种堆的出口温度可高到950℃,甚至1000℃以上,由此得名叫高温堆。

现在,地球上储存的石油资源是有限的,随着时间的推移,会渐渐地被消耗完。煤炭的储量比石油多得多,将来液体燃料的供应主要靠煤的液化,也叫煤制甲醇。煤的液化要提供1000℃以上的高温,常用化石燃料作为热源,除了自身要消耗常规燃料外,还会带来二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、二氧化碳等有害气体的环境污染。如果用高温气冷堆作高温热源,则可减少化石燃料的消耗,也可避免常规燃料燃烧带来对环境的污染。

预测表明,我国的石油产量大约到2030年达到3亿吨,到达顶峰,以后将逐年下降,到2050年产量将降至1亿吨。届时,由于航空航天事业和交通事业的蓬勃发展,液体燃料的消耗量将越来越大,解决液体燃料供应问题的主要出路是煤的液化。如果开发高温气冷堆作为高温热源,利用我国储量丰富的低热值的褐煤来生产液煤,则将是十分理想的方案。

还有,我国有丰富的稠油资源,由于它的粘度太大,只有注入蒸气才能开采。通常,生产蒸气要耗去1/3石油产量,不大合算。如果用高温气冷堆供热,则可以有效地开采稠油。

现在,日本已经制订核能炼钢计划,打算发展高温气冷堆,用煤气化生产还原气体,并利用还原气来使铁矿直接还原生产海绵铁,作为炼钢的原料。

聚变-裂变混合堆

受控核聚变的实现将是人类解决长期稳定能源供应的最终途径。由于实现可控核聚变需要上亿度高温及强大的约束磁场,尽管世界各国已经花了几百亿美元的投资,建造了一个个实验装置,经过了千百次试验,但接力赛离终点还尚远。美国人预计,要真正实现受控核聚变的商业推广应用,大约还要60年。

现在,有些科学家已经提出研制一种聚变-裂变混合堆。这种堆的堆芯是一个受控聚变装置,它也是用氘氚作燃料,产生核聚变只是条件要比纯聚变要求低些,容易实现。在聚变堆芯的周围包上铀-238贫料,吸收核聚变放出的大量中子后,铀-238就会变成钚-239,钚-239就可以供快中子堆作燃料,也可供压水堆作燃料,而且,这种混合堆因放出中子量大,增殖核燃料效果较为显著。

混合堆在当前国际上还没有真正进入试验研究阶段,不过前苏联的个别研究所有一些概念设计。

“七五”期间,我国高技术能源领域已经将快中子增殖堆、高温气冷堆和聚变-裂变混合堆列为先进核反应堆的前期研究计划,并拨出了专款,还专门设立了先进核反应堆在我国未来能源供应中的地位及发展战略研究专家组,进行这方面的研究工作。

现在已建成一座快中子实验电站、一座高温气冷实验堆,进行聚变-裂变混合堆技术跟踪研究,国家将继续拨出专款进行先进核反应堆的研究和开发。