核融合＋核分裂→供獻給無碳能源的未來

Nuclear fusion-fission hybrid could contribute to carbon-free energy future
http://www.physorg.com/news152284917.html

January 27th, 2009

德州大學 Austin 分校的物理學家已設計出一種新系統，當完全開發後，將使用核融合消除絕大部份由核能發電廠所產生的超鈾廢料。

這項發明藉由使核能發電更加潔淨來協助對抗全球暖化，也因此是一種更可實行的重度用碳能源替代者。

"我們已創造出一種方法，利用核融合來以相對廉價的方式摧毀這些來自於核分裂的廢料，" Mike Kotschenreuther 說， Institute for Fusion Studies（IFS）與物理系的資深研究科學家。"我們相信，我們的廢料摧毀系統，將使得核能 -- 一種低碳能源 -- 準備好幫助我們對抗全球暖化。"

有毒的核能廢棄物儲存於全美各地的場址。爭論圍繞著位於內華達州 Yucca 山之大規模地質儲存場址（geological storage site）的建造上，那有許多保修工作成本高昂且危險。而 Yucca 山的儲存量，那預期在 2020 年前都不會開張，被設定在 7.7 萬噸。而美國所產生的核廢料總量預計在 2010 年將超越這個數目。

這些物理學家的新發明將能大幅減少任何外加或擴展之地質儲藏所的需要。"絕大部份的人們提出，核廢料是他們反對將核分裂當作電力來源的的主要理由，" Swadesh Mahajan 說，資深研究科學家。

科學家提議利用核融合與核分裂混種反應器來摧毀廢料，這玩意中心是一套高功率的緻密核融合中子源（Compact Fusion Neutron Source，CFNS），因某一種決定性的發明而成為可能。

CFNS 將透過核融合提供大量的中子給環繞四周的核分掩蔽（fission blanket），那使用超鈾廢料當作核燃料。核融合所產生的中子擴大核分裂反應，給予廢料焚化過程效率以及穩定性。

IFS 的 Kotschenreuther、Mahajan 與 Prashant Valanju（譯註：應該都是印度裔吧）以及機械工程系的 Erich Schneider 在 Fusion Engineering and Design 期刊上報告他們用來摧毀核廢料的新系統。

有超過 100 座核分裂反應器，稱為輕水式反應器（light water reactors，LWRs），在美國產生電力。來自於這些反應器的核廢料直接被儲存而沒有經過再處理。（某些國家，例如法國與日本，對於廢棄物會進行再處理。）

科學家的廢料摧毀系統將以兩大步驟進行。

首先，75% 的原始反應器廢料在標準的、相對較便宜的 LWRs 中被摧毀。該步驟產生能量，但它並沒有摧毀具高度放射毒性的（radiotoxic）、超鈾的、長壽命廢料，科學家稱之為「污泥（sludge）」。

在第二步驟中，污泥將在一座基於 CFNS 的核融合--核分裂混種中被摧毀。這個混種的潛力在於它燃燒這種有害汙泥的能力，那在傳統的系統中無法穩定燃燒。

"為了燒這些真的很難燒的污泥，你真的需要以大錘來扁它，而這正是我們在此所發明的東西，" Kotschenreuther 說。

一座混種將可以摧毀 10 到 15 座 LWRs 所產生的廢料。

此過程最終能將原本核分裂反應器所產生的超鈾廢料減少達 99%。燃燒那些廢料也能夠產生能量。

科學家們表示，這套 CFNS 被設計成不會比一個小房間大，而且所需裝置也遠較其他方案少；為了類似的處理過程，這些方案也都被研究過。在與地質儲存需求的實質減少相結合後，基於 CFNS 的廢料摧毀系統將比其他路線更加便宜與快速。

CFNS 是基於 tokamak（托克馬克），那是一種具有一個「磁瓶」的機器，那成功地在一段夠長的時間內，困住高溫（超過攝氏 1 億度）融合電漿。

能為 CFNS 鋪路的關鍵發明稱之為 Super X Divertor（超級 X 分流器）。將這個 Super X Divertor 被設計來處理高溫與粒子通量（particle fluxes），尤其是密實的裝置；那能使 CFNS 安全的製造大量中子而不會摧毀整套系統。

"在核融合裝置中所產生的高溫能逐步摧毀機器的內壁，" 研究科學家 Valanju 表示，"而且就是這件事阻礙了高度緻密的核融合源。" Valanju 表示，核融合--核分裂混種反應器在物理學社群中已是個存在已久的點子。

"大家都知道核融合善於產生中子，而核融合則長於製造能量，" 他說。"現在，我們證明我們讓核融合在小空間中產生許多中子。"

產生一種大量且乾淨的「純核融合能」來源，將繼續成為核融合研究者的目標。但物理學家表示，駕馭其他核融合中子的生產將在不久的時期中辦到。

將他們的混種從概念轉變為生產的過程中，科學家們希望使核能成為一種更可行的、煤與石油的替代品，並等待可再生的，如太陽與純核融合的到來。

"我們所設計的混種應當被視為一種橋接技術，" Mahajan 說。"透過這個混種，我們能藉由中子將核融合帶向今日的能源服務區塊。對於全球暖化科學家所設立的 2050 時間尺度，但願我們能對其無碳混合（carbon-free mix）要求做出主要的供獻。"

科學家們表示，Super X Divertor 發明已得到核融合社群的接受。有數個團體已考慮在他們的機器上實作 Super X Divertor，包括英國的 MAST tokamak、與美國的 DIIID （通用原子能）以及 NSTX（普林斯頓大學）。下一階段將包括完成延伸的模擬、將概念轉換為工程計畫，並尋求資金以建立原型。

※ 相關報導：

＊ Fusion–Fission Transmutation Scheme—Efficient destruction of nuclear waste
http://dx.doi.org/10.1016/j.fusengdes.2008.11.019

M. Kotschenreuther, P.M. Valanju, S.M. Mahajan and
E.A. Schneider
Fusion Engineering and Design Volume 84, Issue 1, Pages 83-88,
January 2009
doi:10.1016/j.fusengdes.2008.11.019

＊ Actinide research published in Reviews of Modern Physics
http://www.physorg.com/news153596330.html

一位 Livermore 研究者與英國同僚在 Reviews of Modern Physics 上發表了一篇文章，那精練數十年來的錒系（actinide）科學，也許正成為該領域中卓越的研究論文。

LLNL 的 Kevin Moore 與英國 Diamond Light Source 的 Gerrit van der Laan 合寫一篇「Nature of the 5f States in Actinide Metals（錒系金屬中 5f 態的本質）」，那描述錒系的電、磁、結晶結構，並證明錒系科學對於廣大領域的科學家的重要性...（餘詳見原站）

＊ ITER、IAEA簽署協議 促進核融合研究
＊ 搞亂週期表的超級原子
＊ 費米實驗室發現「加倍奇怪的」粒子
＊ 從核能發電廠移除放射性物質的化合物