核能技術(shù)的可能突破性進展 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反應(yīng)都大幾百萬倍的能量。而重元素擁有如此巨大的能量，因為其內(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式反應(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。幾乎所有學習過核裂變反應(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展卻異常緩慢。在科學家看來，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作著，我們對核能的理解其實還只停留在觀察實驗層面上，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，而每次重復過程的不完全則導致釋放出來的能量較預期中少。這導致了反應(yīng)無法實現(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目，可惜因為達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，其實是一種特殊的“強相互作用力”(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，因為這種力不但作用時間短而且極為劇烈。大概在50年前，研究強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，對于快速運動的物體來說，時間的運行將變慢。由于質(zhì)子是最簡單的核，因此科學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“強相互作用力”。全球為此建立了數(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“強相互作用力”，在短距離的情況下，膠子會產(chǎn)生一個相當弱且已經(jīng)被充分研究理解的引力。但在一個相當于質(zhì)子半徑的長距離上，這個力會變得相當強，并將相當數(shù)量的膠子整合成一個至今未能完全理解的復雜結(jié)構(gòu)。因此在一段時期內(nèi)，人們不認為“強相互作用力”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驗中觀察到了慢動作下的強相互作用效應(yīng)，而這也開啟了一個精確理解“強相互作用力”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驗前所未有的高能情況下進行研究的。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“強相互作用力”的軌跡。

德國電子同步加速器研究所的實驗本身并非為此而設(shè)計，但測量“強相互作用力”的精確實驗可以通過已有技術(shù)來設(shè)計建造。對此已經(jīng)有兩批科學家，一批集中在美國的布克海文實驗室以及托馬斯·杰斐遜國家加速器實驗室，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世紀和20世紀早期對于電磁力的理解就催生了當今種種在電信、電子計算機、化學和材料學方面的驚人發(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“強相互作用力”意義非常重大。