一种可能的低温可控核聚变及其实现方式

陈世浩 陈紫微

（1．东北师范大学，吉林 长春 130024；2．北京交通大学，北京 100044）

0 引言

到目前为止，可控核聚变尚未实现。这是因为核聚变不仅需要超过1 亿度的高温，而且还需要满足劳逊条件。对于1 亿度等离子体来说，劳逊条件不容易满足。其根本原因是带正电荷的裸核之间存在着很强的静电排斥势。因此降低核聚变温度是十分必要的。

伽玛射线已在许多实验室中产生，伽玛激光实现方案也已经提出[1-3]。并且在此基础上，也提出了利用伽玛射线或伽玛激光照射靶核，使靶核处于激发态，从而降低聚变温度的设想[4]。

而该文考虑利用中子实现核聚变。与传统核聚变相比，它具有能量密度小的缺点。此外，产生单能中子束需要输入一定的能量。为了保证聚变过程的输出能量大于输入能量，需要对中子束生成过程产生的热能和光能量进行回收利用。其优点是核聚变过程可以在低温下实现，易于控制，而且不产生放射性核乏燃料。

1 低温可控聚变的物理机制

1.1 中子与原子核聚变

如果一个核子系统的结合方式A 比结合方式B 具有更高的能量，那么当这个核子系统由结合方式A 转变为B时，一定会有一些核能被释放出来。当然，这些核能的释放不是直接进行的，而是必须通过一些中间过程才能实现的。无论核裂变、常规设计的核聚变，还是该文所涉及的低温可控核聚变，核能释放的物理原理都是一样的。

这种低温可控聚变的原理是单能中子束与给定的原子核发生聚变，从而释放出核能。这种聚变可以在较低温度下实现。这是因为中子不带电，并且与核反应截面大。此外，中子可以在没有质子与核或核之间碰撞的情况下产生。因此，整个核聚变过程不需要克服原子核之间的静电势能，可以在低温下实现核聚变。

中子几乎可以与任何核发生反应。有多种原子核吸收中子后释放核能。例如：

式中：σnL和σnB是热中子n 分别与锂核6Li 及硼核10B 的反应截面，b=10-24cm2，是散射截面单位，3T 与α 分别表示氚核与氦核，7Li 是锂的另一种同位素核[5]。

1.2 中子源

中子源包括自发辐射、反应堆、散裂、电子和伽玛射线中子源5 种。后3 种中子源可用于进行低温可控核聚变。

电子中子源的物理机制为在真空室中，丰中子的原子被分解成电子和裸核。电子和裸核按传统技术由电场和磁场分离，分别调制成单能电子束和单能离子束。调节单能电子束相对于单能离子束的速度，使电子相对于裸核的动能大于裸核最后中子结合能。单能电子束和单能离子束反平行地入射到直线对撞区。这样，电子与裸核发生碰撞后，在电磁相互作用和弱相互作用下，丰中子裸核会分裂成几个子核和中子。显然，电磁相互作用在这里占主导地位。当单能电子束相对于单能离子束的速度不同时，所释放中子的能量也不同。例如，当一个离子e 相对于氘核d 的动能大于氘核结合能2.224 MeV 时，有以下反应：

式中：p，ve分别表示质子与电子型中微子。当电子的动能相对于铍核9Be 大于铍核的结合能1.665 MeV 时，有下列反应：

式中：T1/2（8Be） 表示铍核8Be 的半衰期，0.074 fs。

类似地，当一个丰中子的原子核吸收一个能量大于其最后一个中子结合能的伽玛光子γ 时，它也能释放中子。例如，当伽玛光子的能量大于2.224 MeV 时，有以下反应[6]：

当一个伽玛光子的能量大于1.665 MeV 时，有以下反应[6]：

有些放射性元素自发辐射中子。这种元素可以用作自发发射中子源。一个自发发射中子源是锎核252Cf[6]，它的半衰期是 T1/2=2.645a，a 表示年，中子产额是2.31×1012s-1g-1。

其能谱分布是麦克斯韦分布，N（E）=Cexp（-E/Eγ），Eγ=1.453±0.017 MeV，E 是中子能量，Eγ是伽玛单光子能量，C 是一个归一化常数，其中某些能量适当的中子能够与6Li 和9Be 发生聚合反应。很明显不同的放射性元素所释放的中子能量是不同的，散裂中子源适合于大规模释放核能。

2 这种核聚变的可行性

综上所述，可以看出中子与原子核的聚变过程为首先，需要输入能量，以便产生大量的单能中子。其次，单能中子与靶核聚合，释放核能。仅当有净输出能量时，这种聚变才是有意义的。

2.1 这种聚变能量有净输出的可能性

设核系统初态静质量的能量为EI，末态静质量的能量为EF，则EIF=EI-EF为从初态到末态所释放的核能。但这个能量不能直接释放，必须经过一个中间态才能释放。设这个中间态能量为（EI+EM），EM表示中间态与初态的能量差，则这时末态能量为（EF+EM）。初态经过这个中间态到末态所释放的能量依然是EF。即：

例如对于初态（d+6Li）和末态（α+T+p），相应于初、末态静质量md+mLi和mα+mT+mp的能量差为

如前所述，氘核的结合能是2.224 MeV。当氘核获得2.224 MeV 结合能时，氘核解离为质子p 与中子n。初态（d+6Li）转化为中间态（p+n+6Li）。锂核6Li 吸收中子后，中间态转化为末态（α+T+p）。从中间态到这个末态转变时所释放的能量为

公式（11）似乎表明，中间态不影响核能释放。但实际上并非如此，输入能量Ein必然大于EM才可，EinM=Ein-EM＞0。EinM是产生单能中子束过程所耗散的能量，是光能与热能。EinM中的一部分EinC能够回收利用，EinC=ηinCEinM，ηinC是EinC的回收效率。这样，实际耗散的能量为EC=（1-ηinC）EinM。

中子与核聚变所释放的核能EN并不能被完全利用，也不是每个中子都能被靶核吸收。考虑到这些因素，假设全部中子被靶核吸收时释放的能量为EN，则EN中只有一部分ENU=ηNUEN能被有效利用，ηNU＜1 表示的是核能的利用效率。仅当聚变能净输出Eout=ENU-EC＞0 时，这种核聚变才有意义。

为了从氘核获得单能中子束，首先需要将分子解离为原子，并将原子解离为电子与裸核，再将电子与裸核分别调制成单能电子束和单能裸核束，最后让单能电子束和单能裸核束对撞，产生单能中子。设电子与丰中子的原子核的结合能为EA。为了把这个原子解离为它的裸核与电子，必须输入能量，这里ηA是的效率。例如：

式中：D 和O 分别表示氘和氧原子。这一过程涉及原子、分子层次能量，一个反应仅为几十电子伏特（此例中输入能量小于20 eV）。将转化为光能与热能。在最后阶段，这些电子将与原子核重新结合形成原子,并释放光能与热能EAOT≈EA。EOT的一部分ηOTEOT和EAOT的一部分ηAOTEAOT能够被回收利用，ηOT＜1 及ηAOT＜1,分别表示的是EOT和EAOT的回收效率。因此，这一过程中实际耗散的能量为。EAC＜EA也是有可能的。对于公式（12）这个过程，实际消耗的能量不会超过30 eV。

设在将电子调制成单能电子束和将裸核调制成单能裸核束的过程中，输入的能量为Ein，Ein＞EM=ηMEin，ηM＜1表示的是Ein的利用效率。在这一过程中，不是每个电子与裸核都能对撞。没有对撞的电子与裸核从对撞区出来后可通过磁场重新输送回对撞区。设获取单能电子束与单能裸核束的过程中，电子与裸核加速或减速所辐射的光能为EinO。Ein的一部分成为电子与裸核有用的动能，即上述将初态转化为中间态所必须输入的能量EM。初态获得能量EM后，成为中间态。例如，氘核获得2.224 MeV 结合能后，（d+6Li）转化为中间态（p+n+6Li）。Ein的其余部分就是耗散能量EinO=Ein-EM，EinO的一部分能够被回收利用。例如，中间态的质子p 的能量可以回收利用，通过磁场导出后可成为电源的正极，释放电能，与电子结合后成为氢气，同时放出光能。

在公式（1）中，产生的氚核T 也能释放能量，是很有用的，可用于制作核电池。

所以在这个过程中，实际耗散的能量是EinC=ηinOEinO=ηinO（Ein-EM），ηinO＜1 表示的是能量EinO的回收效率。例如对于公式（10）～（12），当输入能量Ein=3 MeV，能量实际耗散不大于0.776 MeV 时，这些反应就能实现。显然，实际耗散能量EinC与能量具体的回收技术有关。

用足够厚的靶原子物质包围产生单能中子的对撞区，可使中子被靶核吸收的概率p 接近于1。这种核反应释放的可用的能量为ENU=ηUEN。

综上所述，考虑到各种效率，对于公式（1）、（3）与（10）～（12）来说，当输入能量Ein=3 MeV，能量实际耗散不大于0.776 MeV 时，一个中子与一个6Li 核聚变释放的核能是：

设这种核能利用效率为ηNU=0.7，则净输出能量ENU=0.7×1.783=1.248 MeV 。这个能量相当于一般一个分子或原子反应能量的百万倍左右。

2.2 电子中子源中电子相对于靶核的速度及对撞区的长度

下面讨论有关公式（1）、（3）的物理数据。这些可以确定这种核聚变装置的主要结构[7]。

设在实验室坐标系中的单能电子束和单能氘核束的速度分别为ve和vd，ve和vd的方向相反，则电子相对于氘核的速度为

当电子相对于氘核的动能大于2.224 MeV时，ue≥0.9733519c，c 是光速。为了减少能量耗散，氘核的速度取为vd≤30 m/s。这样，ue≈ve=0.9733519c，ve/vd=107。

设nd、ne分别为氘核与电子在实验室系中的数密度，这时电子与氘核的非弹性散射截面为σ（e+d →e+p+n）=σed0，表示的是电子与氘核对撞区的长度，则当

可以用单光子能量大于或等于氘核结合能2.224 MeV的伽玛射线或伽玛激光辐照D2原子或单能氘核束，从而获得单能热中子。伽玛光子的数密度nγ满足

设这时的伽玛光子与氘核非弹性散射截面为σγd0，则当

每个伽玛光子被氘核吸收的概率接近于1。

设单能氘核束的横截面为S，S 也是单能电子束的横截面，则氘核电流强度Jd和电子束电流强度Je分别为

用这些单能中子辐照锂原子或硼原子，则聚变反应（1）或（2）就将发生。设核6Li 与核10B 的密度为nLi和nB，锂核6Li 和硼核10B 吸收热中子的截面分别是σnLi和σnB，这种核的锂原子或硼原子置于围绕这个热中子源的环形圆筒中，圆筒内、外半径差分别为LLi和LB，则当

每一个单能热中子被吸收的概率都接近于1。

3 结论

可控核聚变的机理是中子束与给定的核，如6Li 或9Be聚合，核能释放。电子中子源是5 种中子源之一，其中单能电子束与单能裸核束（如氘）对撞产生单能中子。这些中子辐照靶核，被靶核吸收，使核能释放。与传统核聚变相比，它具有能量密度小的缺点。此外，产生单能中子束需要一定的能量。但是，只要能有效回收利用部分输入的能量，也能够使聚变过程的输出能量大于输入能量。其优点是中子不带电荷，与原子核的反应截面很大，所以这种核聚变的全过程都可以在低温下进行（原则上可以在室温下实现聚变），易于控制，而且不产生放射性核乏燃料。