核動力汽車電源可行性研究

吳曉春 孫征 劉興民 李龍

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.054

摘 要：核動力汽車的概念可追溯于20世紀(jì)50年代，美國福特公司推出的概念車Nucleon動力系統(tǒng)采用核反應(yīng)堆，利用鈾核裂變熱能把水變成高壓蒸汽，驅(qū)動渦輪發(fā)電。最近，通用公司推出的核動力概念車凱迪拉克WTF將采用以釷為燃料的激光動力系統(tǒng)，是一種真正零排放、綠色環(huán)保、安全高效、并且極具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的新能源。核動力汽車電源具有儲能大、體積小、質(zhì)量輕等特點。通過對這種先進(jìn)的能源系統(tǒng)開展詳細(xì)的調(diào)研和原理性論證工作，研究結(jié)果表明，這種新型的“加速器-驅(qū)動釷-基于激光”的能量放大裝置在理論支撐和現(xiàn)實可行性上都存在極大的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：核動力汽車 釷-激光發(fā)動機(jī) 可行性研究

中圖分類號：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0054-03

Feasibility Research of Nuclear-power System for Car

Wu Xiaochun Sun Zheng Liu Xingmin Li Long

（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box 275-33，Beijing，102413，China）

Abstract：The idea of making nuclear-powered car can dated back to 1950s， and Ford company developed the first nuclear-powered car Nucleon which theoretically based on uranium-235 fission powered engine. Recently， General Motors released its Cadillac “World Thorium Fuel Concept” car， which didnt include a working thorium-powered engine. But its claimed that the Thorium laser power systems engine is available and being developed. This is a totally zero-emission， green， safe， efficient and economic power system. The power generator system for car should be energetic， small and the mobile. As a cradle of research in nuclear science and technology. Through deep research and theoretic analyses， we found that it is hard to certify the theory of speeding-up thorium decay， and it is challengeable to make this new “accelerator-driven thorium-based laser.” power-gain device.

Key Words：Nuclear-powered Car； Thorium-powered Engine； Feasibility Research t

自工業(yè)革命以來，人類對于能源的需求不斷增加，同時也給自然環(huán)境帶來了非常深遠(yuǎn)的影響。石油、天然氣等不可再生資源正面臨枯竭，尋求更為高效、環(huán)保的能源將是人類發(fā)展的必然趨勢。早在20世紀(jì)50年代，美國就將核動力汽車這一概念提上了研究日程，種種原因?qū)е掠媱澴罱K失敗。近幾十年來，并未見關(guān)于核動力汽車的任何消息，然而，在2009年芝加哥車展上，一款凱迪拉克WTF（World Thorium Fuel）核動力概念汽車突然亮相，吸引了不少媒體和公眾的眼球，美國對核動力汽車的研發(fā)工作似乎又趨于活躍。該款汽車引擎將采用以釷為燃料的激光動力系統(tǒng)，幾乎不產(chǎn)生任何放射性廢物，是一種綠色環(huán)保、安全高效、并且極具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的新能源。

核動力汽車將減少人類對傳統(tǒng)能源的依賴，從根本上解決低碳環(huán)保出行的需要。其電源系統(tǒng)具有儲能大、體積小、質(zhì)量輕等特點，不僅可應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，在軍事、航空、深海與深空科技探索等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。這種新型電源一旦問世，將對人類能源革新具有劃時代的意義。

1 核動力汽車及其電源研究現(xiàn)狀

1.1 福特Nucleon

早在1957年，美國福特公司推出了第一款核動力概念車Nucleon。福特Nucleon的動力系統(tǒng)采用核反應(yīng)堆，類似核潛艇的工作原理，利用鈾核裂變熱能把水變成高壓蒸汽，以驅(qū)動兩個蒸汽渦輪，一個用來直接驅(qū)動汽車，另一個用來發(fā)電。福特Nucleon確實只是個概念，由于車身后部裝配有核反應(yīng)堆，駕駛艙內(nèi)空間狹小，整車造型怪異，幾乎無任何實用性可言。Nucleon的設(shè)計基礎(chǔ)是假設(shè)核反應(yīng)堆能實現(xiàn)足夠的小型化，并能找到足夠輕的屏蔽材料。然而，這些創(chuàng)新理念均未能付諸現(xiàn)實，龐雜的系統(tǒng)設(shè)備以及笨重的鉛屏蔽體使得汽車的安全性和實用性無法得到滿足。

1.2 凱迪拉克WTF

時隔半個世紀(jì)，在2009年芝加哥車展上，通用公司推出了全球第二款核動力概念車凱迪拉克WTF。WTF以釷為燃料（World Thorium Fuel），動力系統(tǒng)部分將由高性能的電池取代傳統(tǒng)的燃油系統(tǒng)，以便滿足未來清潔的能源要求。該款概念車由設(shè)計師Lorus Kulesus設(shè)計，設(shè)計使用年限為100年。續(xù)航里程一直是電動汽車駕駛者關(guān)注的問題，而該車只需要一次性添加8 g釷金屬就可以滿足汽車整個壽期內(nèi)的使用需求。在汽車發(fā)動時，高能激光可以激發(fā)釷原子衰變，產(chǎn)生的熱量就可以給水加熱產(chǎn)生蒸汽，用以驅(qū)動小型渦輪機(jī)，并由此產(chǎn)生電能為汽車提供動力。釷及其衰變產(chǎn)物只產(chǎn)生穿透能力弱的α和β射線，因此，系統(tǒng)輻射水平低，易于屏蔽，整套動力系統(tǒng)可以控制在500磅，也就是226 kg，完全在車輛的承載范圍之內(nèi)。WTF概念車的釷-激光動力系統(tǒng)由美國馬薩諸撒州的Laser Power Systems公司負(fù)責(zé)研制。但據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱，通用公司對這一核心技術(shù)并未有任何的投入，不排除其借助釷燃料概念汽車博取公眾眼球的可能。

1.3 釷-激光動力系統(tǒng)LPS

近期推出的釷燃料概念車的引擎是基于一項激光動力（或激光發(fā)動機(jī)）技術(shù)。該技術(shù)由位于美國馬薩諸撒州的激光動力系統(tǒng)公司（Laser Power System，LLC）公司提供。釷-激光動力是一種真正零排放、零污染的新能源，由于其系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、儲能量大，且具有可移動性和可操作性，不僅可應(yīng)用于汽車，還可為一些家庭、醫(yī)院、工廠等提供電力。釷-激光動力系統(tǒng)功率輸出在5 kW～100 MW范圍，系統(tǒng)每MW功率造價低于20萬美元，發(fā)電成本比目前任何一種傳統(tǒng)能源至少低10倍以上。據(jù)該公司介紹，這種動力系統(tǒng)并不只是停留在紙面上的概念設(shè)計，而是一項成熟的技術(shù)。

2 原理性論證與分析

2.1 釷-激光動力系統(tǒng)工作原理

釷-激光動力系統(tǒng)的能量來源不是核裂變反應(yīng)，而更像是加速釷原子核自然衰變所獲得的一種衰變能。能量輸出以激光的形式將流質(zhì)加熱產(chǎn)生高溫蒸汽，用以驅(qū)動渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。釷-激光動力系統(tǒng)是一種新型的“加速器-驅(qū)動釷-基于激光”的能量放大裝置。加速器是指一種特斯拉電磁感應(yīng)線圈EMC （Electro Magnetic induction Coil），用以加速自由電子的小型電磁裝置。釷-激光動力系統(tǒng)的核心MaxFelaser，即能量產(chǎn)生裝置與普通的激光器結(jié)構(gòu)形式有相似之處。如圖1所示，一個完全密閉的腔室將釷原子包容，兩端裝有完全平行的高精密鏡子，起到將光放大的作用。但產(chǎn)生光的機(jī)理是不同的，外部強大的電磁場將原子核外電子加速，被加速的自由電子與核碰撞或正負(fù)電子對湮滅均會時產(chǎn)生光子，光子在腔室里面來回震蕩形成方向性極好的激光，以激光的形式輸出能量。同樣被高頻率的電磁場激發(fā)的釷原子可加速衰變，釋放出α-β射線粒子在電極被收集，可為外部的激勵系統(tǒng)EMC電子加速器輸入能量。

2.2 釷的特性分析

釷是一種銀灰色的金屬元素，它在地球上的儲量非常豐富。釷在核反應(yīng)中可以轉(zhuǎn)化為原子燃料鈾-233，所儲藏的能量，比鈾、煤、石油和其他燃料總和還要多許多，一旦釷元素的利用得到量產(chǎn)，作為代用能源的話，這將是一種潛力巨大的新能源。釷與鈾相比具有很多優(yōu)點，但最初原子能的利用是出于戰(zhàn)爭的目的，二戰(zhàn)時期，美國與前蘇聯(lián)發(fā)展核工業(yè)均選擇了鈾，而放棄了釷，因此，釷需達(dá)到工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用比鈾至少要晚四五十年。Th-232是一種天然的放射性核素，其半衰期為140億年，因此，僅靠其自然衰變釋放能量，上萬噸釷也不足以點亮一支燈泡。如圖2所示，Th-232經(jīng)過一系列的α和β衰變最終生成穩(wěn)定核素Pb-208，中間產(chǎn)物包括：Ra-228、Ac-228、Th-228、Ra-224、Rn-220、Po-216、Pb-212、Bi-212、Tl-208、Po-212。一個釷原子完全衰變釋放的總能量約為39.7MeV。各核素的衰變參數(shù)見表1。

2.3 數(shù)據(jù)核算分析

相關(guān)資料在介紹釷-激光動力系統(tǒng)的高效性時，提到以下一些數(shù)據(jù)。

（1）1 g釷等于7 500加侖汽油。

（2）100%的熱效率下1 g釷可產(chǎn)生22 000 kW·h的電。

（3）8 g釷可供汽車在250 kW的功率下運行5 000 h。

現(xiàn)對以上這些說法進(jìn)行核算。前面分析得知一個釷原子核衰變釋放的總能量為39.70MeV；而裂變釋放的能量為184.2MeV，美制中1加侖=3.785 3 L，汽油密度0.72 kg/L，熱值4.6E7J/kg。因此：

1 g釷衰變釋放的能量=1/232×6.02E23×39.70×1.6E

-13=1.65E10 J。

1 g釷裂變釋放的能量=1/232×6.02E23×184.2×1.6E

-13=7.65E10 J。

8 g釷裂變釋放的能量=8/232×6.02E23×184.2×1.6E

-13=6.12E11 J。

……

7 500加侖汽油釋放的能量=7 500×3.785 3×0.72×4.6E7=

9.40E11 J。

22 000 kW·h的電=22 000×1 000×3 600=7.92E10 J。

250×5 000 kW·h的電=250×5 000×1 000×3 600=

4.50E12 J。

即使按100%的熱效率計算，第（1）和（3）種說法，其系統(tǒng)釋放的總能量比釷裂變釋放的能量都要高10倍左右；第（2）說法與裂變釋放的能量相當(dāng)，而顯然系統(tǒng)不是利用釷的裂變。因此，以上說法都是錯誤的。

2.4 存在的主要挑戰(zhàn)

加速釷衰變速率，并使釋放的熱能得到有效控制和利用是釷-激光動力系統(tǒng)的關(guān)鍵性理論基礎(chǔ)，“加速核衰變”是具有顛覆性的重大發(fā)現(xiàn)，而目前并沒有這方面的有力論據(jù)。傳統(tǒng)核物理理論認(rèn)為：原子核的衰變決定它的內(nèi)部特性，實驗表明，外界條件的改變，如加高溫、高壓或加強磁場、電場都不能改變放射性衰變的速率（上述宏觀條件未能改變原子核內(nèi)部特殊性質(zhì)，如中質(zhì)比、偶奇性等）。

設(shè)計揭露者聲稱電功率約為250 kW核動力汽車只需一次性添加8 g釷，就可以在車輛報廢前無需再次加注燃料。如此高的功率密度有效導(dǎo)出也是一大難題。核汽車動力系統(tǒng)必須做到足夠小型化，才能滿足車輛的需求。考慮到系統(tǒng)需要蒸汽渦輪、發(fā)電機(jī)、大量的封閉循環(huán)水等才能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電工作，小型化以及輕量化的難度可想而知。另外，系統(tǒng)冷啟動時需要一定的時間才能夠產(chǎn)生足夠多的蒸汽和能量去驅(qū)動車輛行駛，它不適合車輛迅速反應(yīng)的要求。

3 結(jié)論

通過對“釷-激光動力（發(fā)動機(jī)）”的調(diào)研和論證分析，核動力汽車電源的可行性存在巨大的技術(shù)難題和挑戰(zhàn)，對其真實性表示質(zhì)疑，主要理由如下。

（1）對其多處所提到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行仔細(xì)推理、核算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其各種說法都是錯誤的。相關(guān)文章的介紹也很不嚴(yán)謹(jǐn)，不具有科學(xué)性。集合“釷燃料”“特斯拉技術(shù)”“加速器驅(qū)動”“激光”等科技名詞混淆視聽，對其汽輪機(jī)、電動機(jī)有大量介紹，而對核心問題“到底是怎樣獲得能量的？”并沒有確切答案。

（2）這種所謂的“釷-激光動力系統(tǒng)”可替代石油、天然氣、煤等傳統(tǒng)能源，甚至包括核電站，應(yīng)用于家庭、工廠、汽車、卡車、船舶、軍用設(shè)備，甚至飛機(jī)、宇宙飛船等各個領(lǐng)域，功率輸出在幾千瓦到上百兆瓦范圍，且系統(tǒng)平均每兆瓦功率造價低于20萬美元。然而，就是這種幾乎可用于任何領(lǐng)域且造價低得驚人的動力系統(tǒng)，國際上沒有一家權(quán)威的科研機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行研發(fā)，而只是生產(chǎn)汽輪機(jī)/發(fā)電機(jī)的公司。LPS公司CEO強調(diào)不是利用釷的裂變，應(yīng)是加速釷衰變獲得的能量。“加速核衰變”是違背傳統(tǒng)理論基礎(chǔ)的，對于這種具有顛覆性的重大發(fā)現(xiàn)，并沒有有效的論據(jù)。

（3）LPS公司稱“釷-激光動力系統(tǒng)”已經(jīng)是一項成熟的技術(shù)，有望最近在原型汽車上得到應(yīng)用。假設(shè)確實有這一技術(shù)，這種質(zhì)量輕，體積小，功率密度高的核電源，應(yīng)首先在科技探索、軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用，而不是汽車這一大眾平臺。

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