核能技術(shù)的可能突破性進(jìn)展 核廢料問題有望解決

2016/12/13 14:17:07

大約60年前，核能的發(fā)現(xiàn)似乎為世界能源問題指明了一勞永逸的解決方案。但時至今日，這一愿景依舊未能實(shí)現(xiàn)。核技術(shù)的發(fā)展止步不前，許多核電站使用的還是半個世紀(jì)以前發(fā)展出來的技術(shù)。

核能是由鈾和釷這類重元素的裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的。反應(yīng)中，這些元素的原子核通常會裂變成兩個較小的原子核以及兩三個中子，并釋放出比任何化學(xué)反應(yīng)都大幾百萬倍的能量。而重元素?fù)碛腥绱司薮蟮哪芰浚�因�(yàn)槠鋬?nèi)部儲存了超新星爆發(fā)時所釋放出來的一小部分能量，要知道正是這種能量在大約50億年前創(chuàng)造了地球和整個太陽系。

當(dāng)今核電站使用一種特殊的鈾元素(鈾235)作為燃料，通過從一個原子核裂變反應(yīng)中釋放中子并引發(fā)另一原子核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來產(chǎn)生能量。然而，不管是儲量比鈾235豐富一百倍的鈾238，還是更容易從自然界中獲取的釷，都無法被大規(guī)模地用于生產(chǎn)能量。

事實(shí)上，任何重元素(甚至是鉛)在理論上都可以成為核能的潛在來源。幾乎所有學(xué)習(xí)過核裂變反應(yīng)的人都會感到震驚：原來獲取能量的途徑竟有千千萬萬。但在獲取這些資源方面的進(jìn)展卻異常緩慢。在科學(xué)家看來，主要困難是知識的匱乏。盡管已經(jīng)有數(shù)百座核電站在成功運(yùn)作著，我們對核能的理解其實(shí)還只停留在觀察實(shí)驗(yàn)層面上，而用這種方式所得到的知識往往是不完整的。

比如說在產(chǎn)生核能的過程中，裂變反應(yīng)多次重復(fù)，而每次重復(fù)過程的不完全則導(dǎo)致釋放出來的能量較預(yù)期中少。這導(dǎo)致了反應(yīng)無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，歐美好幾個試圖采用儲量更豐富的鈾238或釷(快中子增殖反應(yīng)堆)來產(chǎn)生更大能量的大型核電項(xiàng)目，可惜因?yàn)檫_(dá)不到理想效果而被迫下馬，這是其中的一個主要原因。

另一個問題則是核裂變生產(chǎn)能量之后所產(chǎn)生的核廢料。如果我們使用由外部加速粒子所激發(fā)的核裂變，這些廢料可以被大部分——甚至完全分解成為無輻射性物質(zhì)。但與此同時，我們需要對核反應(yīng)特性有更多更精確的了解。

將原子核結(jié)合在一起的力，其實(shí)是一種特殊的“強(qiáng)相互作用力”(strong force)，是自然界中4種基本力的其中之一，而且對其的研究極端困難，因?yàn)檫@種力不但作用時間短而且極為劇烈。大概在50年前，研究強(qiáng)相互作用力的方式就是使兩個質(zhì)子在極高能的情況下相互對撞。高能粒子的加速度將減慢所有物理過程，依照愛因斯坦的相對論，對于快速運(yùn)動的物體來說，時間的運(yùn)行將變慢。由于質(zhì)子是最簡單的核，因此科學(xué)家希望在高能情況下質(zhì)子散射所產(chǎn)生的力量，可以像一個慢動作電影一樣被觀察和分析，并因此能精確地理解“強(qiáng)相互作用力”。全球?yàn)榇私�立了�?shù)座大型加速器研究中心，而高能粒子的散射也揭示了物質(zhì)的奇妙結(jié)構(gòu)。在此過程中發(fā)現(xiàn)的新粒子(膠子)能傳遞“強(qiáng)相互作用力”，在短距離的情況下，膠子會產(chǎn)生一個相當(dāng)弱且已經(jīng)被充分研究理解的引力。但在一個相當(dāng)于質(zhì)子半徑的長距離上，這個力會變得相當(dāng)強(qiáng)，并將相當(dāng)數(shù)量的膠子整合成一個至今未能完全理解的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。因此在一段時期內(nèi)，人們不認(rèn)為“強(qiáng)相互作用力”的特性可以直接從膠子的特性中得到。

但在最近幾年間，位于漢堡的德國電子同步加速器研究所在實(shí)驗(yàn)中觀察到了慢動作下的強(qiáng)相互作用效應(yīng)，而這也開啟了一個精確理解“強(qiáng)相互作用力”的途徑。在該研究所的加速器中，電子在質(zhì)子上的散射是以一種同類實(shí)驗(yàn)前所未有的高能情況下進(jìn)行研究的。其中一個最重大發(fā)現(xiàn)，就是數(shù)種在高能短距離情況下觀察到的明顯現(xiàn)象可以清晰地歸結(jié)于膠子的釋放和膠子結(jié)構(gòu)的形成。通過觀察在距離不斷增加的情況下這些結(jié)構(gòu)如何變化，就可能發(fā)現(xiàn)并得以理解“強(qiáng)相互作用力”的軌跡。

德國電子同步加速器研究所的實(shí)驗(yàn)本身并非為此而設(shè)計(jì)，但測量“強(qiáng)相互作用力”的精確實(shí)驗(yàn)可以通過已有技術(shù)來設(shè)計(jì)建造。對此已經(jīng)有兩批科學(xué)家，一批集中在美國的布克海文實(shí)驗(yàn)室以及托馬斯·杰斐遜國家加速器實(shí)驗(yàn)室，另一批則聚集在日內(nèi)瓦的歐洲粒子物理研究所，一同試圖重啟對電子-質(zhì)子相互作用的研究。

同時正如物理學(xué)的歷史所揭示的那樣，一個對自然力的更深刻理解將開啟一個嶄新且出乎意料的可能性。比如我們在19世紀(jì)和20世紀(jì)早期對于電磁力的理解就催生了當(dāng)今種種在電信、電子計(jì)算機(jī)、化學(xué)和材料學(xué)方面的驚人發(fā)展。

就開發(fā)利用核能資源的新方法，以及解決核廢料問題來說，精確理解“強(qiáng)相互作用力”意義非常重大。