核融合-裂变混合核能

混合核融合-裂变（混合核能）是一种利用核融合和核分裂过程结合来发电的方法。

其基本想法是利用聚变反应炉产生的高能快中子触发铀-238或钍-232等不可裂变燃料的裂变。每个中子可以触发多个裂变事件，使每次聚变反应释放的能量增加数百倍。由于裂变燃料不可裂变，因此不会发生自持的炼式裂变反应。这不仅使聚变设计在动力方面更加经济，而且还能够燃烧那些不适合在传统裂变电厂使用的燃料，甚至是其核废料。

整体而言，混合堆的概念与快中子增殖反应炉非常相似，后者使用紧凑的高能量裂变堆芯代替混合堆的聚变堆芯。另一个类似的概念是加速器驱动的次临界反应炉，它使用粒子加速器提供中子，而不是进行核反应。

## 历史

这个概念可追溯到 20 世纪 50 年代，并在 20 世纪 70 年代得到了汉斯·贝特 (Hans Bethe)的大力倡导。当时，第一批强大的核融合实验正在建设中，但它们仍需多年时间才能具备经济竞争力。混合核融合被提出，旨在大幅加快其市场化进程，甚至在核融合系统达到损益平衡之前就能产生能量。然而，对这些系统经济性的详细研究表明，它们无法与现有的裂变反应炉竞争。

这个想法后来被废弃并搁置，直到由于收支平衡一直拖延，才在 2009 年左右短暂地复苏。这些研究通常集中在设计的核废料处理方面，而不是能源生产方面。从那时起，人们对这个概念的兴趣就周期性地上升，主要基于更传统的解决方案（如尤卡山核废料处置库）的成败。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）在其LIFE计划下启动了另一项重要的能源生产设计工作。由于工业界的意见，LIFE放弃了混合方案，并将其重新设计为纯聚变系统。由于其底层技术（来自国家点火装置）未能达到其设计性能目标，LIFE专案被取消。

据报道，Google高层Mike Cassidy于 2017 年创立的阿波罗聚变公司 (Apollo Fusion)也专注于使用亚临界核融合-裂变混合方法。他们的网站现在专注于他们的霍尔效应推进器，只是顺便提到了核融合。

2022年9月9日，中国工程物理研究院彭先觉教授宣布，中国政府已批准在四川成都建造世界上最大的脉冲核电厂Z-FFR，即Z(-pinch)-Fission-Fusion Reactor。Z脉冲反应炉（具有圆柱体对称结构，燃料为氘和氚）产生的中子将撞击包含铀和锂同位素的同轴包层。铀裂变将使此反应炉的总热输出增加10到20倍。锂和中子的相互作用将为后续燃料提供氚。Z-FFR核心附近创新的准球形几何结构使其具有高性能的Z箍缩放电。先觉教授表示，这将大大加快聚变能的利用，并为 2035 年实现商业化发电做好准备。

## 描述

### Fission 裂变基础知识

传统的裂变动力系统依赖核分裂事件的炼式反应，这些事件会释放两三个中子，进而引发进一步的裂变事件。透过精心设计并使用各种吸收材料，该系统可以达到释放和吸收中子的平衡，称为临界质量。

天然铀是几种同位素的混合物，主要为微量的235 U，而238 U则占99%以上。当它们发生裂变时，这两种同位素都会释放出快中子，其能量分布的峰值约为1至2 MeV。这个能量太低，不足以引起铀-238的裂变，这意味着它无法维持炼式反应。当被这种能量的中子撞击时，铀-235会发生裂变，因此会发生炼式反应。天然铀中的铀-235原子太少，无法维持炼式反应，原子分散得太远，中子击中一个原子的机会太小。炼式反应是透过浓缩或浓缩燃料来实现的，增加铀-235的含量以生产浓缩铀，而剩余的（现在大部分是铀-238）是称为贫化铀的废品。如果铀-235浓缩到燃料品质的 20% 左右，将能够维持炼式反应。

如果中子能量较低，也就是所谓的热中子，铀-235就更容易发生裂变。中子可以透过与中子减速剂材料碰撞而被减速到热能，最容易使用的减速剂是水中的氢原子。透过将裂变燃料放入水中，中子引起另一个铀-235发生裂变的几率大大增加，这意味着达到临界所需的浓缩程度大大降低。这导致了反应炉级浓缩铀的概念，铀-235的含量从天然矿石中的不到 1% 增加到 3% 到 5% 之间，具体取决于反应炉设计。这与武器级浓缩形成了对比，后者将铀-235 的含量提高到至少 20%，更常见的是超过 90%。

为了维持临界状态，燃料必须保留额外的铀-235浓度。典型的裂变反应炉会在几个月的时间内烧掉足够多的铀-235，导致反应停止。铀-235的燃耗，加上裂变过程中产生的中子吸收剂（或称毒物），最终导致反应炉无法保持临界状态。这些燃耗的燃料必须移除，并更换为新的燃料。结果是产生高放射性核废料，其中充满了存在安全隐患的长寿命放射性核种。

废料中含有大部分初始铀-235，当燃料达到不再裂变的程度时，只有约1%的能量被提取出来。解决这个问题的一个方法是对燃料进行后处理，即利用化学方法从废料中分离铀-235（以及其他非毒性元素），然后将提取出的铀-235与新的燃料混合。这减少了需要开采的新燃料量，并将废料中不需要的部分浓缩成较小的燃料量。然而，后处理成本高昂，通常直接从矿场购买新燃料更为经济。

与铀-235类似，钚-239也能维持炼式反应，因此是一种有用的反应炉燃料。然而，自然界中钚-239的含量并不具备商业应用价值。另一种可能性是透过中子捕获或其他各种方式，从铀-238中增殖 钚-239。这个过程只有在中子能量高于慢化反应炉时才会发生，因此，在传统反应炉中，如果在燃料块进行慢化之前俘获了中子，则只能产生少量的钚。

建造一座不需要慢化剂的反应炉是可能的。为此，燃料必须进一步浓缩，直到铀-235含量足够高，即使在快中子作用下也能维持临界状态。从燃料负载中逸出的额外快中子可用于在反应炉堆芯周围的铀-238组件中增殖燃料，铀-238组件通常取自贫铀库存。钚-239也可用于堆芯，这意味着一旦系统启动并运行，就可以用其产生的钚-239进行换料，剩余的钚也足以供给其他反应炉。这种概念称为增殖反应炉。

从铀-238原料中提取钚-239可以透过化学处理实现，其方式与常规后处理相同。差别在于，铀-238原料中所含的其他元素会少得多，尤其是一些在常规核废料中发现的高放射性裂变产物。

### Fusion 融合基础知识

融合反应炉通常会燃烧氘（D）和氚（T）的混合物。当燃料被加热到数百万度时，燃料中的动能开始克服原子核之间固有的静电排斥力，即所谓的库仑势垒，燃料开始发生聚变。此反应会释放出一个α粒子和一个14MeV的高能量中子。聚变反应炉经济运作的一个关键要求是，α粒子将其能量重新释放到燃料混合物中，加热燃料混合物，从而发生额外的聚变反应。这会导致一种与裂变炼式反应类似的状态，称为点火。

事实证明，建造一座能够达到点火状态的反应炉设计是一项重大挑战。首次尝试建造这样的反应炉是在1938年，而第一次成功是在84年后的2022年。即便如此，其释放的能量也比运转机器所需的能量少了几个数量级。如果反应炉的发电量超过运作所需电量，也就是所谓的工程损益平衡点，那么还需要几十年的工作。

此外，也存在为这种反应炉提供燃料的问题。氘可以透过在海水中分离氢同位素来获得（参见重水生产）。氚的半衰期很短，仅为12.3年，因此在自然界中仅发现微量。为了提供反应炉燃料，反应产生的中子会被用来在反应室周围的锂覆盖层中透过反应增殖更多的氚是DT聚变循环成功的关键，而迄今为止，这项技术尚未得到验证。基于电脑模型的预测表明，增殖率非常小，聚变工厂几乎无法满足自身需求。要增殖足够的剩余氚来启动另一个反应炉，需要很多年的时间。

### 混合概念

聚变-裂变设计本质上是用一层裂变燃料（天然铀矿石或核废料）取代典型聚变设计中的锂包层。聚变中子的能量足以引发铀-238以及燃料中的许多其他元素（包括一些超铀废料元素）发生裂变。即使在铀-235全部燃尽后，反应仍能继续进行；其速率并非由裂变事件产生的中子控制，而是由聚变反应炉提供的中子控制。

裂变自然发生，因为每次事件都会释放出一个以上的中子，引发更多裂变事件。聚变，至少在DT燃料中，只会释放一个中子，而这个中子无法引发更多聚变事件。当此中子撞击包层中的裂变材料时，可能会发生两种反应之一。在许多情况下，中子的动能会导致一到两个中子从原子核中脱离，而不会引发裂变。这些中子仍具有足够的能量引发其他裂变事件。在其他情况下，中子会被捕获并引发裂变，从而释放两到三个中子。这意味着，聚变-裂变设计中的每个聚变中子都可能导致裂变燃料中产生两到四个中子。

这是混合概念（即裂变倍增）中的关键概念。每次聚变事件都可能发生多次裂变事件，每次裂变释放的能量都比最初的聚变事件高得多，大约是最初的11倍。这大大增加了反应炉的总功率输出。尽管目前还没有聚变反应炉达到收支平衡，但有人提出，透过使用廉价燃料或废料来增加功率输出，可以实现实用的聚变反应炉生产。然而，许多研究一再证明，只有当反应炉整体规模非常大（2 至 3 GWt）时，这种方法才具有实用性，而建造成本高昂。

这些过程也会产生副作用，即增殖钚-239或铀-233，它们可以被移除并用作传统裂变反应炉的燃料。这催生了一种替代设计，即聚变裂变反应炉的主要目的是将废料再加工成新的燃料。虽然比化学再处理经济性低得多，但该过程也会烧掉一些有害元素，而不是简单地透过物理方式将它们分离出来。这也有利于防止核武扩散，因为浓缩和再处理技术也与核武生产有关。然而，生产的核燃料成本非常高昂，不太可能与传统燃料竞争。

### 中子经济

聚变-裂变概念的一个关键问题是各个过程中中子的数量和寿命，即所谓的中子经济性。

在纯聚变设计中，中子用于在锂包层中增殖氚。天然锂中约92%为7Li，其余大部分为6Li。7Li增殖所需的中子能量甚至高于裂变释放的能量，约5MeV，远低于聚变提供的能量范围。此反应产生氚和氦-4，以及另一个慢中子。6Li可以与高能量或低能量中子反应，包括7Li反应释放的中子。这意味着一次聚变反应可以产生多个氚，如果反应炉要补偿聚变过程中的自然衰变和损失，这是必要的。

在混合设计中，当锂包层被裂变燃料替换或补充时，与裂变材料反应的中子将不再用于氚增殖。裂变反应释放的新中子可用于此目的，但仅限于6Li。可以对锂进行处理，以增加包层中6Li的含量，弥补这些损失，但这种方法的缺点是6Li反应只能产生一个氚原子。只有高能量聚变中子与7Li的反应才能产生多个氚，而这对于维持反应炉运作至关重要。

为了解决这个问题，至少一部分裂变中子必须用于6Li中的氚增殖。每个用于氚增殖的中子不再可用于裂变，从而降低反应炉的输出功率。如果想要反应炉既能产生足够的氚维持自身运行，又能产生足够的裂变事件以保持裂变侧能量为正，就需要非常谨慎地保持平衡。如果不能同时实现这两个目标，就没有理由建造混合堆。即使能够保持这种平衡，也可能只能在经济上不可行的层面上实现。因此，一些释放中子的物质已被提出作为增加可用中子数量的一种方法。

## 整体经济

在混合动力概念的早期发展过程中，其整体经济性问题似乎难以解答。始于1970年代末的一系列研究，对混合动力在完整燃料循环中的应用提供了更清晰的图景，并加深了人们对其经济性的理解。这些研究表明，建造混合动力系统毫无意义。

其中最详细的研究之一由洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory,LANL) 于 1980 年发表。他们指出，混合堆将间接产生大部分能量，既透过反应炉中的裂变事件，也透过提供 239Pu为其他裂变反应炉提供燃料。从整体来看，混合堆的作用与增殖反应炉基本相同。两者都需要化学处理来去除增殖的239Pu，因此都具有相同的扩散和安全风险，并且都产生的燃料量大致相同。由于增殖燃料是整个循环的主要能源，因此这两个系统最终几乎完全相同。

然而，两种设计的技术成熟度并不相同。这种混合系统需要大量的额外研发才能确定是否能够运行，即使能够验证，其结果也与当时已经在建的增殖系统基本相同。报告总结：混合循环商业化所需的时间和金钱投入，只有当其相对于快中子反应炉（Fast breeder reactors,FBR）具有实际或感知优势时，才值得投入。我们的分析得出结论：这种优势并不存在。因此，没有足够的动力去验证和商业化聚变-裂变混合循环。

## 基本原理

目前，单靠聚变过程无法获得足够的增益（输出功率与输入功率之比），不足以作为可行的能源。透过利用聚变反应中产生的过剩中子，在周围的亚临界裂变包层中引发高产率裂变反应（接近100%），混合聚变-裂变过程的净产额可以提供相当于输入能量100至300倍的目标增益（比单纯聚变过程增加三到四倍）。即使考虑到输入端效率低下（例如，ICF中的激光效率低下以及托克马克设计中的轫致辐射损失），这仍然可以产生足够的热量输出，实现经济的发电。这可以被视为在更有效率的纯聚变技术开发出来之前，实现可行聚变能源的捷径，或将其本身视为发电的目的，同时消耗现有的核裂变物质和废料库存。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的 LIFE 专案采用国家点火装置开发的技术，目标是使用被裂变包层包围的氘和氚燃料芯块产生比输入（激光）能量大得多的能量以用于发电。其原理是在燃料芯块中引发惯性局限融合(Inertial Confinement Fusion,ICF)，而ICF充当高度集中的中子点源，进而转换和裂变外部的裂变包层。与 ICF 方法同时，德州大学奥斯汀分校正在开发一种基于托克马克聚变反应炉的系统，以优化核废料处理与发电。使用 ICF 或托克马克反应炉作为中子源的原理基本上相同（主要区别在于 ICF 本质上是中子点源，而托克马克是更弥散的环形源）。

## 用于处理核废料

周围的再生区可以是裂变材料（浓缩铀或钚）或可增殖材料（透过中子轰击可转化为可裂变材料），例如钍、贫铀或乏核燃料。这种亚临界反应炉（也包括粒子加速器驱动的中子散裂系统）是目前已知的唯一无需后处理的乏核燃料主动处置（而非储存）方法。商用轻水核反应炉（LWR）运作产生的裂变副产品寿命长且放射性强，但它们可以透过聚变反应中多余的中子与再生区中的可裂变成分一起消耗，本质上是透过核嬗变摧毁它们，并产生更安全、核扩散风险更小的废物。与轻水堆产生的废料相比，这些废料中每千兆瓦年发电量产生的长寿命、可用于武器的锕系元素浓度将显著降低。此外，每单位发电量所产生的废弃物将减少约20倍。这为高效利用大量浓缩裂变材料、贫化铀和乏核燃料储备提供了潜力。

## 安全

与目前商用的裂变反应炉相比，混合反应炉可能表现出被认为是固有安全的行为，因为它们在所有条件下都保持深度亚临界状态，并且可以透过被动机制去除衰变热。裂变由聚变点火事件提供的中子驱动，因此不能自持。如果聚变过程被故意关闭或制程因机械故障而中断，裂变就会衰减并几乎立即停止。这与传统反应炉透过控制棒强制衰减形成对比，控制棒吸收中子以将中子通量降低到临界、自持水平以下。传统裂变反应炉的固有危险是任何导致正回馈和失控炼式反应的情况，例如在切尔诺贝利灾难期间发生的情况。在混合配置中，裂变和聚变反应是分离的，即当聚变中子输出驱动裂变时，裂变输出对聚变反应没有任何影响，从而消除了任何正回馈回路的机会。

## 燃料循环

混合聚变燃料循环有三个主要组成部分：氘、氚和可裂变元素。氘可以透过在海水中分离氢同位素来获得（参见重水生产）。氚可以在混合过程中经由含锂化合物吸收中子而产生。这将需要额外的含锂再生区和收集装置。核分裂反应炉中的中子活化也会产生少量氚，特别是使用重水作为中子减速剂或冷却剂时。第三个组成部分是从外部取得的可裂变材料，这些材料来自非军事化的可裂变材料供应或商用核燃料和废料流。聚变驱动的裂变也提供了使用钍作为燃料的可能性，这将大大增加可用的可裂变材料的潜在数量。在聚变事件中发射的快中子能量极高（高达光速的 0.17 倍），可使精炼天然铀能够以非常低的浓缩度使用，同时仍保持深度亚临界状态。

## 工程考虑

实际工程设计必须先将安全性作为首要目标。所有设计都应结合被动冷却和耐火材料，以防止裂变材料熔化和重新配置成可能达到非预期临界状态的结构。设计中通常会包含一层含锂化合物，用于产生氚，使系统能够自给自足地支撑关键燃料元件之一。由于氚的半衰期相对较短且放射性极高，因此最好在现场制备，以避免从偏远地区运输。氘氚燃料可以使用重水生产产生的氘和混合反应炉本身产生的氚在现场制造。可以利用核散裂产生额外的中子来增强裂变输出，但需要注意的是，这需要在中子数量（通常每次散裂事件产生20-30个中子）和每个中子能量降低之间进行权衡。如果反应炉使用天然钍作为燃料，则需要考虑这一点。虽然聚变事件产生的高能量（0.17c）中子能够直接造成钍和铀-238的裂变，但散裂产生的低能量中子通常无法造成裂变。这是一种权衡，会影响燃料混合物与设计中使用的散裂程度。

## 参见

- 无中子聚变是一类核反应，其中释放的能量只有一小部分（或没有）被高能量中子带走。
- 增殖反应炉，一种产生的燃料中的裂变物质多于其消耗的核反应炉。
- 冷聚变
- COLEX制程（同位素分离）
- 第四代反应炉，下一代裂变反应炉设计声称具有更高的安全性，并且大大提高了燃料使用效率。
- 整合式快中子反应炉是一种裂变快中子增殖反应堆，采用在反应炉现场进行电解精炼的后处理，能够消耗轻水反应炉的废物并使用贫铀作为燃料。
- 液态氟化钍反应炉是一种使用熔融氟化钍盐燃料的裂变反应堆，能够消耗轻水反应炉的废弃物。
- 介子催化聚变，利用奇异粒子在相对较低的温度下实现聚变点火。
- 与此概念相反的PACER专案试图利用小型裂变爆炸来点燃氢聚变（聚变炸弹）来发电
- 次临界反应堆，一类广泛的设计，使用各种外部中子源（包括散裂）来产生非自持裂变（混合聚变裂变反应炉属于此类）。
- 行波反应炉是一种具有移动反应区的纯裂变反应堆，它也可以消耗轻水反应炉的废物并使用贫铀作为燃料。
- 增强型裂变武器，一种利用核融合产生的中子来提高裂变反应效率的核武。
- 热核武器，一种利用裂变和聚变相结合的核武器；一些设计使用聚变中子来点燃额外的裂变阶段。

## 延伸阅读

- Fusion-fission hybrid as an alternative to the fast breeder reactor ,Barrett, R J; Hardie, R W, 1980