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如果你能帮忙解决核废料问题，同时为核聚变研究注入新的生命力，你会怎么做？德克萨斯大学奥斯汀分校的三位物理学家提出了一个创新方案——将核聚变和裂变结合在一起，他们认为这可能为这两个技术开辟更加光明的未来。 他们提出的方案是，在他们设计的一个紧凑的圆形托卡马克核聚变反应器外围设置一个环带，里面填充来自核电站的最有害废料。从聚变反应器散发出的中子将分解来自来自聚变反应堆的中子能够与用过的核燃料中的长寿命超铀放射性废料发生作用，将它们转变为半衰期更短的元素，从而降低这些废料的放射性和潜在的环境风险。总体效果是将含有像镅和锔这样的元素的高放射性废料，转化为半衰期只有几百年的裂变产物，如钡。这种转化解决了一个长期存在的问题：镅和锔等元素由于其极长的半衰期，需要安全存储100,000年或更长时间，这也是导致像尤卡山（Yucca Mountain）这样的大型储存项目陷入困境的原因。 然而，这一方案的实施需要科学家和工程师开发出一种既强大又紧凑的中子源，而这样的中子源自身也将面临废料处理问题：等离子体核心将释放出大量的热量和粒子流，其强度足以摧毁机器。 在标准的托卡马克反应器中，被磁场限制的氘和氚在等离子体中进行融合反应，释放中子、电子和阿尔法粒子（氦核）。限制等离子体的磁场线分为开放区和封闭区。在所谓的X点，即磁场线开放的地方，可以抽取等离子体，允许未燃烧的离子逃逸，并将它们的热量传递到一个金属板上。问题是，对于某些托卡马克来说，这种高强度的等离子体流能够熔化任何已知的金属板。
在托卡马克装置中，环向和纵向磁场压缩氘和氚等离子体直至它们发生聚变，释放出密集的中子流、带电粒子和未燃燃料。这些中子撞击围绕聚变反应堆的废料层，将废料中更具危险性的放射性元素转化为寿命较短的同位素。与此同时，炽热的未燃燃料被Super X Divertor 偏滤器扫走。 德克萨斯州的研究团队成员Swadesh Mahajan、Mike Kotschenreuther和Prashant Valanju提出了一个创新的想法：重新设计磁场以扩大X点，并引导等离子体中的“灰烬”（即未参与聚变反应的粒子）流向一个特殊的装置——偏滤器。在偏滤器中，他们计划设置一个远离主等离子体的第二个X点。从这个第二X点扩展开来的更宽阔的废料流，能够比传统方式多带走5到10倍的热量，具体来说，就是每平方米能承受高达10兆瓦的热负荷。 这种设计被称为Super X偏滤器，它将成为英国阿宾登的卡尔汉姆科学中心（Culham Science Center）对兆安培球形托卡马克（MAST）进行的升级工程的核心部分，这项升级工程耗资3000万英镑（约合4800万美元）。据该中心首席执行官Steve Cowley所说，Super X偏滤器偏滤器将接受测试，以验证其性能。 Culham 的研究人员并不打算将这台托卡马克装置转变为一个专门用于转化用过核燃料的设备。然而，这台已经运行了12年的聚变实验设备，在2015年经过升级后，其工作方式将与那种转化设备相似。在这种转化过程中，一个模块化的球形托卡马克被一层用过的燃料棒包围，这与标准的快中子增殖反应堆的设计有相似之处，即从钚或高浓缩铀核心发射出的中子被一层由非裂变铀-238构成的材料捕获，并转化为可裂变的钚。Super X偏滤器的应用，将使得设计和建造一个紧凑的托卡马克装置成为可能，该装置能够产生足够密集的中子云，以便于转化核废料。 根据记录，德克萨斯团队并不是第一个提出使用聚变产生的中子来缩短裂变废料半衰期的团队。关于裂变-聚变混合动力的想法自20世纪50年代起就已经开始流传。几年前，佐治亚理工学院的Weston M. Stacey提出了Mahajan所称的“标准概念”，即在一个大型托卡马克内部嵌入一个裂变反应堆，Stacey将其命名为Subcritical Advanced Burner Reactor（次临界高级燃烧反应堆）。 诺贝尔奖得主、物理学家Carlo Rubbia在过去二十年中一直倡导一个创新概念：利用加速器产生的质子撞击目标材料，从而释放中子，这些中子随后用于裂解超铀元素。这一方法的测试在去年一月于比利时核研究中心（Belgian Nuclear Research Centre）的莫尔（Mol）基地启动，标志着加速器和反应堆首次实现了联动。 Stacey的混合动力系统面临的一个明显问题是，如何在一个由托卡马克产生的高能等离子体流所环绕的裂变反应堆中植入和移除燃料，更不用说维持其运行了。Mahajan提到，加速器驱动系统显而易见的问题在于它们相对较差的中子经济效益，以及整体系统设计上那种类似Rube Goldberg式的复杂性。（笔者注释：'Rube Goldberg'式的复杂性指的是一种设计上的过度复杂，通常指那些使用大量不必要的部件和步骤来完成简单任务的机械或系统。这个术语源自美国漫画家和发明家Rube Goldberg，他以创造设计繁复、功能简单的发明而知名。） 随着德克萨斯团队的核聚变方案细节日渐清晰，它的复杂程度可能堪比Rube Goldberg笔下那些错综复杂的机械图。比如，要想把超铀废料完全转变为半衰期较短的元素，必须经过三轮复杂的燃料再处理步骤，这中间还需要把提炼出的元素再次放回托卡马克装置的包层里继续裂变。到目前为止，超级X偏滤器（Super X Divertor）是该项目中唯一一个设计得比较完善的部分。 |
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