可控核聚变领域获重大突破：可有效获取高纯度氘材料
可控核聚变领域获重大突破：可有效获取高纯度氘材料
中英科学家在可控核聚变领域取得重大突破，成功研发出一种可有效获取高纯度氘的新型材料。这一突破对于可控核聚变技术的发展具有重要意义，因为高纯度氘是实现可控核聚变的关键燃料之一。
1月7日，记者了解到，中英科学家可控核聚变领域获新突破。西交利物浦大学校与英国利物浦大学合作，在可控核聚变领域取得突破，研究出一种可有效获取高纯度氘的材料。相关成果近日在国际学术期刊《科学》发表。
可控核聚变是当代世界最前沿的科技领域，由于其对技术要求的极端苛刻，到目前为止仍处于前期预研阶段，而且学术界有“核聚变距离成功永远有25年”的说法。目前世界各国投入研究力量最大的是磁约束核聚变，而这其中托卡马克装置则被认为是最有希望在未来取得突破的一种可控核聚变发电装置结构。
据西交利物浦大学化学系丁理峰博士介绍，可控核聚变是一种绿色能源，但如何找到稳定的可控核聚变燃料，仍是一个有挑战性的课题。
氢的同位素——氘，就是一种潜在的可控核聚变燃料，但氘在自然界中的浓度很低。“通常，高纯度、高浓度的氘是通过分离‘氢-氘’混合气体来获得的，但目前实现这种分离的技术能耗大、效率低、价格昂贵。”丁理峰说。
由英国皇家学会会士、利物浦大学教授安德鲁·库珀带领的中英联合团队设计出一种新材料，它能通过一种被称为“动态量子筛分”的过程，将氘气体从混合气体中有效地分离出来。
丁理峰和他的博士生杨思源为分离过程的理论建模作出了重要贡献。与一般实验化学需要瓶瓶罐罐的试剂不同，计算化学主要依靠高性能超级计算机，通过计算机模型来研究分子层面的“氢-氘”分离过程，找出这种材料具备优秀性能的原因。
“这是一种混合多孔有机笼状材料，它能从混合气体中选择氘分子并大量吸附，是一种经济高效的解决方案。”丁理峰说，“分子模型有助于确定后续实验方向，从而开发出更好的分离材料。”
据了解，除了用作可控核聚变的燃料，氘还被广泛运用于其他科学研究中，包括非放射性同位素追踪、中子散射技术以及制药等领域。
西交利物浦大学位于江苏苏州，2006年由西安交通大学与英国利物浦大学合作创办。
可控核聚变如何实现？
众所周知，石油是工业的血液。但以石油为代表的化石能源，有两个绕不开的问题：一是不可再生，二是污染。即便页岩气、可燃冰等新型能源被不断开发，但归根结底都有消耗殆尽的一天。而目前的核裂变能也存在着反应原料（铀等）有限、核废料放射性污染的问题。
有没有一种能源，既无穷无尽，又清洁环保？还真有一个，就是可控核聚变。
从“进口”上说，可控核聚变所需的反应原料（氘原子和氚原子），在地球上非常丰富。氘在海水中储量极大，1公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量；而氚可通过中子与锂反应生成，在地壳和海水中，锂都是大量存在的。
从“出口”上说，可控核聚变的产物为氦和中子，不排放有害气体，也几乎没有放射性污染，具有环境友好的优点。
“核聚变能一旦实现和平利用，地球上的能源将取之不尽用之不竭，因能源短缺带来的社会问题可得到彻底解决，人们的生活水平也将因此而得到极大提高。”段旭如说，像海水淡化、星际飞船这类工程，过去因耗能太大而令人们犹豫不决，而未来在可控核聚变能的支持下，都将能够更快发展。
不仅零污染、用不完，可控核聚变还有另一个重要特点：固有安全性。许多人一想到用核能发电，就会想到切尔诺贝利核事故或者福岛核事故，从而有了“恐核”心理，谈核色变。事实上，核聚变反应需要氘氚燃料达到上亿摄氏度的高温和足够高的密度等苛刻条件，任何一点细微条件的缺失，都会导致温度密度的下降，致使聚变反应停止。
然而，世界上仍然有许多环保机构公开指责核聚变所存在的安全隐患，包括产生核废料以及核泄漏的风险。对此，段旭如解释：“由于燃烧的氘氚等离子体被磁场约束在真空容器内，其密度比空气低数个量级，聚变堆氘氚燃料含量也较低，因此不会引起爆炸，也不会导致泄漏事故。”
理想很美好，但实现起来并不容易。一个最明显的问题，就是用什么容器来承载核聚变。
据段旭如介绍，在地球上利用核聚变能，要求在人工控制条件下等离子体的离子温度达到1亿摄氏度以上。“1亿度是什么概念？太阳的核心温度大概在1500万度至2000万度；而地球上最耐高温的金属材料钨在3000多度就会熔化。1亿度，已经超过太阳核心温度的5至6倍了。”中核集团核工业西南物理研究院特聘研究员钟武律解释说，“在地球上，没有任何材料可以把1亿度高温的等离子体给直接包裹起来。”
不过这个问题还是难不倒人类科学家，他们“无招胜有招”，想出了用强磁场来约束高温核聚变燃料的办法。但具体用什么装置来实现，还要继续探索。从20世纪50年代开始，英、美、苏等国科学家前赴后继，快箍缩、磁镜、仿星器等不同的技术路线此消彼长。竞争延续到了1960年代，最终由苏联科学家提出的托卡马克方案异军突起，效果惊人，国际聚变界的重点研究方向随之转向了托卡马克。