熱核堆燃料在聚變反應又稱熱核反應中使用，可能利用的熱核燃料有氫的兩種同位素氘D和氚T，少量的Ne。最容易發生熱核反應的是氚T和能在中子轟擊下生成氚的Li，它們均是未來聚變堆即熱堆的燃料，地球上的氘儲量極其豐富，而氚在自然界中幾乎不存在，需要人工生產，Li可從其化合物分離。
基本介紹
- 中文名：熱核堆燃料
- 外文名：fusion reactor fuel
- 作用：核聚變釋放能量
- 學科：核工程
- 實例：氘和氚
- 優點：清潔無污染、能量大
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簡介
熱核堆燃料在聚變反應又稱熱核反應中使用，可能利用的熱核燃料有氫的兩種同位素氘D和氚T，少量的Ne。最容易發生熱核反應的是氚T和能在中子轟擊下生成氚的Li，它們均是未來聚變堆即熱堆的燃料，地球上的氘儲量極其豐富，而氚在自然界中幾乎不存在，需要人工生產，Li可從其化合物分離。
發現歷史
1931年在蒸鎦液體氫時從殘液中找到氘即氫的同位素氫2。1934年盧瑟福和澳大利亞物理學家奧利芬特(M.E.Oliphant，1901—)和化學家哈台克(P.Harteck，1922—)發現氘核相互撞擊，可以得到氚。
對氘和氚的進一步研究表明，氘比氫更容易聚變為氦，而氚比氘還要容易發生聚變。不過氘和氚的聚變反應需要有極高的溫度作先決條件，其中氚所要求的溫度條件最低，但也要高達幾百萬度。
1944年費米通過計算指出，在地球條件下氘和氚一起聚變所需的“點火”溫度為54萬度，氘單獨聚變所需的“點火”溫度為4億度。由於這樣高的溫度在當時是不容構想的，所以核聚變反應的研究便遇到了在當時來說尚無法克服的困難。
1952年美蘇先後爆炸了氧彈，實現了熱核聚變。以後，人們一直研究如何實現受控熱核聚變，用來解決人類的能源問題。
主要熱核堆燃料
氘
氘（deuterium），氫（H）的同位素，也被稱為重氫，元素符號一般為D或2H。氘原子核中有一個質子和一個中子，其相對原子量為普通氫的二倍。氫中有0.02%的氘，在大自然的含量約為一般氫的七千分之一。氘用於熱核反應，聚變時放出β射線後形成質量數為 3 的氦，並在化學和生物學的研究工作中作示蹤原子。氘被稱為“未來天然燃料”。
氚
元素氫的一種放射性同位素。符號，簡寫為3H，氚還有其專用符號T。它的原子核由一顆質子和二顆中子組成。氚的拉丁文名為tritium，意為“第三”又稱超重氫。氚的質量數為3，在天然氫中，氚的含量為1×10-15%。1934年，英國E.盧瑟福等人在加速器上用加速的氘核轟擊氘靶，通過核反應發現氚，美國W.W.洛齊爾等證實重水中存在氚，1939年美國L.W.阿耳瓦雷等證明氚有放射性。但是由於氚的β衰變只會放出高速移動的電子，不會穿透人體，因此只有大量吸入氚才會對人體有害。氚會發射β射線而衰變成氦3，半衰期為12.5年。氚可作為熱核聚變反應的原料。
儲量
氘和氚是聚變堆的主要燃料，每一升水中約含有毫克氘，通過聚變反應產生的能量相當於升汽油的熱能。地球上的氘儲量極其豐富，地球上僅海水中就含有億噸氘。地球海水中所含的氘資源，如果用於聚變反應堆燃燒，可供人類使用上億年。
氚在自然界中幾乎不存在，目前主要通過聚變反應產生的中子與聚變堆包層中鋰的發生中子吸收反應，以進行氚的增殖，實現聚變堆的產氚功能。
鋰在地球上有比較豐富的儲量，鋰在地殼中約含其豐度居第位，在海水中大約億噸鋰。而我國可開採鋰的儲量超過數百萬噸，地球上鋰的儲量如果用於聚變能，可以足夠人類使用幾千萬年。
優點
氘氚聚變不同於鈾鈽裂變，主要產物為惰性氣體氦，不產生溫室效應氣體以及其它污染物質，完全不生成放射性產物，不會對大氣和環境造成污染。聚變堆運行過程中的放射性主要來自氚核的衰變，以及結構材料、增殖劑等在高通量聚變中子轄照下的活化產物。
與裂變堆相比，其活化產物多為短壽命核素，可以在較短時間內（數年到數十年）衰減至可操作控制水平。目前聚變堆首選結構材料為低活化結構材料，相比普通鋼材，進一步降低了放射性水平。
另外，作為聚變燃料的氚，半衰期短暫（年），且衰變釋放的電子能量低（平均基本不會造成人員外照射損傷，即使發生泄露事故，不會造成長時間的放射性污染與嚴重的放射性災害。
污染清除
核聚變反應堆使用放射性氚氣體作為燃料，安全封閉氚氣體是一個重要的課題。國際熱核反應堆計畫（ITER）的核聚變反應堆設施採取多重保護措施防止氚泄漏，同時利用高溫使貴金屬催化劑氧化，吸收其中水分的方法防止放射性泄漏給環境帶來影響。原子能機構根據茨城大學完成的土壤中棲息的微生物，在常溫下就可氧化環境中的氫氣並將其轉換為水的研究成果，與該大學共同研究利用這些微生物氧化與氫性質相近的氚以清除放射性污染。
原子能機構與茨城大學在森林中尋找到Kitasatospora屬和Streptomyces屬兩種對氫的氧化能力超群，活動能力強的微生物，經過培養製造出的生物清除氚氣實驗裝置在位於茨城縣東海村的原子能科學研究所進行安全試驗。實驗證明這種新方法與以往的催化劑清除方式效果和速度大致相同，得到了與ITER氚清除裝置相匹敵的效果。菌株在低溫保存一年之後氚放射性清除效果仍保持在70%%的高水平。該技術實用化之後，將能夠代替高溫櫃運送催化劑，不但能降低製造和運營成本，還可抑制催化劑產生的廢棄物。該機構今後除繼續耐久性實用研究外，還計畫進行微生物處理氫及其他氣體的研究開發。
獨立行政法人日本原子能研究開發機構22日發表了該機構與茨城大學共同開發出利用微生物消除放射性核聚變燃料氚的新方法。這是原子能開發研究機構為防止核聚變反應堆燃料氚發生泄漏進行的安全性研究。這一成果可使放射性物質氚在泄漏後被有效清除並回收，清除效果與目前使用的封閉方法相同，但成本僅為目前方法的十分之一。利用微生物清除放射性物質屬世界首創，可取代目前成本高昂的清除方法。
