惯性静电约束聚变非电应用的现状和未来[1]

惯性静电约束核聚变非电应用的现状和未来金立云 张兴治 李金海（中国原子能科学研究院 北京102413）摘要：本文在简要介绍惯性静电约束核聚变（IECF）基本原理和特点的基 础上，重点介绍新世纪以来，国际上IECF非电应用发展情况。近期应用项目有 爆炸物探测，PET同位素制备，硼中子俘获治疗（BNCT）,手提式中子源和可 调谐 X 射线发生器；长期应用项目有长寿命放射性核素嬗变，聚变能制氢和深 空推进器等，供我国近期开发核技术应用产业、远期开发第二，三代（D-3He、 3He-3He ）聚变核能参考。关键词：惯性静电约束（IEC）；核聚变；D-D反应；D-3He反应；中子；质子1.前言惯性静电约束核聚变（IECF）概念的提出，始于上世纪50年代。随后美国P. T. Fornsworth 进一步发展了 IECF 概念，申请了专利。1967 年 R. L. Hrisch 首 次根据IECF概念，实现了氘-氚（D-T）聚变。在此后的几十年间，国际上大力 开展磁约束聚变（MCF）和惯性束聚变（ICF）研究，并不看好IECF前景。直 到 1986 年，美国威斯康星大学核聚变所等单位经过大量月球样品取样分析，确 证月球表面月壤中积存有数百万吨 3He 资源，可供人类长期开发使用，从而使 IECF研究又焕发了青春。90年代以来，仅美国和日本就有10多个著名大学， 研究机构和大公司纷纷投入IECF研发工作，在19982007年期间，美，日两国科 学家共举办了 9次研讨会，相互交流IECF研发工作最新进展。10年来取得了一 系列标志性的科研成果,其中包括稳态D-D聚变中子产额于2001年达到108n/s； 稳态 D-3He 聚变质子产额于 2002 年达到 3.5 10 8 n/s；2006 年又首次实现了 3He-3He 聚变。实验结果表明， IEC 装置由于其固有的优良性能，很有可能发展 成为未来第二、三代（D-3He 3He-3He）聚变能的适用反应器。本文参考美国聚变能科学顾问委员会（FESAC）于2003年提出的关于核聚 变非电应用（Non-Electric Application of Fusion）评估报告，重点介绍新世纪以来, 国际上IECF非电应用研究的现状与未来，供我国近期开发核技术应用产业，远期开发第二、三代聚变核能参考。2美国UWIEC装置的工作原理及基本特点美国UWIEC装置的基本结构如图1所示。圆筒形铝真空室高75cm。直径 100cm,用真空泵系统维持真空度为10-7乇范围°10cm直径的球形网格系用W-Re 丝组成。附在氮化硼绝缘柱上构成阴极。其允许高压操作范围为-50-200KV, 阳极为直径50cm的同心网格，由不锈钢丝制成，阳极接地，网格结构保证离子 在电极之间可以较自由穿越。最大操作电压电流为200KV-75mA，操作过程中, 真空度一般保持在2毫乇，在阳极周围，安装了三根灯丝（偏压0199V）,使发 射电子，用以电离背景气产生离子，离子在网格电场中被不断加速，随后在与背景气作用过程中产生大量电荷交换离子。所有离子和电荷交换离子被进一步加速，会聚于网格核心区，或在核心区回转数次后引发聚变反应。CathodeAnodeRGAProtondetector/5 cm65 cm二Gas flowcontrollersNeutrondetector25 cm图1，UWIEC装置结构示意图id真空室周围安装气流控制器和多种分析测试仪表：（1 ）剩余气体分析器 （RGA）,用以测定真空室中气体含量和组成；（2）硅质子探测器多道分析器 （Canberra公司）探测器面积1200mm2，可以同时探测D-D反应产生的3.0MeV 质子和D-3He反应产生 的14.7MeV质子；（3）氦中子探测器，用以探测聚变反 应中产生的中子；（4）高温温度计，用以监测不同反应阶段阴极表面的温度（700°C1800°C）。同心网络ICE装置具有一系列固有的优点：首先是它易于达到较高的电位（50200KV）,因而使离子会聚后达到较高的非马克斯韦（Non-Maxwellion）分 布动能，提高反应率；其次，多重电位阱形成，使反应率与离子流呈非线性关系， 聚变反应率与离子流平方成正比，将产生高反应功率密度，大大提高反应器效率； 第三，装置体积小结构紧凑，移动方便，造价相对低廉。3.IECF 的近期非电应用IECF的近期非电应用是指510年内可以实现，能量输出/输入比Qvl的项 目，主要是利用聚变反应产生的高能中子（214MeV），热中子，高能质子 （315MeV）,电磁辐射（微波、X和y射线）和等离子炬。下面重点介绍国际 上已经开发成功或正在大力开发的几种重要产品， .它们是爆炸物探测器， PET 同位素制备，硼中子俘获治疗（BNCT）装置，手提式中子源和可调谐X射线发 生器。为使人们对 Q<1 所需的能耗有一个清楚的概念，表 1 列出了几种主要聚 变反应每瓦聚变能每秒钟产生的聚变产物数量。表 1 每瓦聚变能量每秒钟产生的聚变产物数量反应中子（MeV）质子（MeV）a-粒子（MeV）D-T3.6x1011(14.1)3.6x1011(3.52)D-D8.6x1011(2.45)P-8.6x1011(3.02)T-8.6x1011(1.01)3He-8.6x1011(0.82)D-3He2.3x1010(2.45)3.5x1011(3.01,14.7)3.6x1011(3.67)3He-3He9.7x1011(约 5.7)4.9x1011(1.4)3.1 爆炸物探测IECF探测爆炸物的原理如下：利用D-D反应产生的中子（2.45MeV）照射爆炸 物，中子经由非弹性散射和俘获反应（n,n'y），产生爆炸物成分（H、N、O）的特 征y射线（H- 2.22MeV, N-10.83MeV，O-6.13MeV）.通过测量y射线的能量 和强度进行爆炸物成分的定性和定量分析. 该装置体积小、结构紧凑、便于移动。 它不但能够探测行李包裹中隐藏的爆炸物、生化武器、化学毒品，还能够 探测 隐埋在土壤沙层中的塑性地雷。与252Cf中子源和D-T中子管相比，IECF中子源 在辐射安全方面也具有明显的优势。“911”事件以来，国际上地区冲突不断发 生，恐怖活动愈演愈烈，爆炸物探测关系国土安全和广大民众生存安全，因此美、 日等国都在花大力进行开发研究，并已取得重大进展。图2为日本京都大学等单 位研制的IECF探雷装置，采取脉冲操作时，中子生成率达2.0x108n/s。探测系 统采用NaI（Tl）和BGO复合装置如图3所示，以便减少干扰，提高信噪比，对埋入土壤中15Cm深度的100g RDX炸药的探测结果如图4所示，结果表明，从 H-2.22 MeV和N-10.83 MeV能谱，已可明显探测RDX炸药的存在，还用类似的 条件，对TNT炸药进行了探测，测量时间同为10分钟，所得结果与RDX炸药 一致，实验取得初步成功。但是，由于该项目为IAEA合作科研项目（CRP）,项 目的最终目标是实际应用于阿富汗干旱地区探雷，那里土壤中水份含量仅38%, 所以该项目下一步的目标是继续增加中子生成率，提高IECF中子源与探测系统 性能，以及两者之间相互匹配的最佳比。图2超小型水冷IECF探雷装置（内径20Cm，外径30Cm）5inch(o r3inch®2.5inchrf)BGONal(TI)图3. NaI （Tl） -BGO复合探测器0-5O1Energy Mev图4.100 g RDX炸药-射线能谱3.2 PET同位素的制备近30年的医疗实践已充分证明，正电子断层扫描(PET)是目前世界上最先进 的核医学诊断设备，它可以及早准确地诊断人体中肿瘤、癌症等病变器官，以便 人们及早采取相应治疗措施，避免延误时机。PET的工作原理是利用18F、150、13N、iiC等同位素衰变时，产生正电子质 湮效应，通过向人体注射带有正电子同位素的标记化合物，采用符合探测方法, 探测质湮效应所产生的于相反方向发射的511keV光子对，得到人体器官内同位 素分布信息，由计算机进行重建组合运算，得到人体器官内标记化合物分布的三 维断层图像。由于人体器官在正常和异常时，对标记化合物的亲和力不同，根据 其中标记化合物的分布，就可以对人体进行生理、生化、病理及解剖学方面的研 究和诊断。81) cm图5威斯康星大学新投运的便携式IEC装置几十年来，国际上PET同位素的生产主要采用回旋加速器。虽然该项技术 已经十分成熟，但也存在较大局限性。表现在加速器体积大、造价高(每台数百 万美元)，所以PET研究和服务中心只能设在部分大城市，很难进入农村社区或 边远地区。即使在PET中心服务区，由于PET同位素的制备、运输、直至临床 应用，都需要一定时间。这就使用于临床的PET同位素品种，基本上局限于18F (t/2=110m),而很难使用寿命更短，病人所受剩余放射性剂量更少的其他同位 素，包括 11C (t/2=20 m)、13N (t/2=10 m)、150(t1/2=2 m)等，基于这种情况, 美国威斯康星大学核聚变所，从上世纪末开始，一直利用该所核聚变技术方面的 优势，在致力于开发第二和第三代聚变核能的同时，大力开发造价在10万美元 左右的便携式高能质子发生器(图5)，用以制备PET同位素，并已取得了突破 性进展。该所采用同心网格IEC装置，使D-3H产生稳态聚变反应，反应率已从 初期的6x103P/S提高到2002年的3.5x108P/S。同时利用所产生的质子 (14.7MeV),开展制备PET同位素的原理性实验，制得了示踪量的94mTc和13N。 结果表明，方法原理完全可行。目前正在设法提高质子产额，以便为便携式质子 发生器制备PET同位素的商业化做准备。值得一提的是，针对目前约 80%的 PET 诊断皆使用 18F 的情况, J.R. Bayles 提出了一种新的制备18F工艺流程：先将D-D或D-T聚变产生的中子，用重水慢 化成热中子，再将其与Li2C03中6Li反应，产生高能T（2.7MeV）,然后通过160 （T, n）18F反应产生所需的18F。经标记后供临床应用，计算结果表明，功率 为4W的小型聚变装置，18F的生成率为1Ci/hr。而投资200万美元的810MeV 质子加速器，其18F的生成率也仅为1Ci/hr，所以前者在经济上很有竞争力。3.3硼中子俘获治疗（BNCT）装置BNCT的治疗原理是：将一种含10B的标记化合物注入人体，通过血液循环 选择性地被肿瘤细胞所吸收，然后用热中子-超热中子定向照射，10B吸收中子后 产生10B （n,a） Li核反应。总能量大约2.45 MeV的a粒子和7Li反冲核的射程， 与肿瘤细胞的直径（10pm）相当，所以可以选择性地杀死肿瘤细胞，而不致影 响其周围的健康细胞。随着10B标记化合物和中子成形器开发工作的不断深入， BNCT 治疗各种肿瘤的成效日益显著，目前已成为治疗脑胶质瘤等的唯一有效手 段。去年 10 月，由周永茂院士主持设计， 401 医院和凯佰特公司合作开发的我 国首台 BNCT 装置已落户原子能院，这必将大大提高本地区治疗脑胶质瘤等方 面的医疗水平。但是, 微堆中子源的缺点是不能在医院就地使用。IECF由于其固有的小型、轻便、造价低廉等优点，正在被开发应用于BNCT 治疗各种肿瘤，并取得了一系列可喜的成果，本文简要介绍美国劳伦斯伯克莱国 家实验室（LBNL）正在开发的一种射频驱动D-D或D-T聚变中子发生器。它的 特点是结构紧凑，中子