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核聚变:世界未来的清洁能源
发布时间:2017-02-11 来源:

数百年以来,人类一直梦想着驾驭太阳能,为地球上的生命提供能量。但我们想实现的,不仅仅是利用太阳能,而是在地球上造出一个“迷你太阳”,也就是核聚变。

  如果我们能解决各种极为复杂的科学和工程问题,便能通过核聚变获取清洁、安全、无穷无尽的能量了。只要每日从水中提取出一千克的氘(氢的一种同位素),产生的电量就足够成千上万个家庭使用。

  图为核聚变反应堆中的等离子体。 

  从上世纪50年代以来,科学与工程研究取得了巨大进展,使我们朝着可持续的氢原子聚变反应又近了一步。实验产生的核聚变能量虽然很少,但也足以被测量出来了。但怀疑者和支持者都意识到,核聚变目前仍面临着两大挑战:一是如何延长反应时间,二是怎样的设备结构才能将核聚变能量转化为电力。

  普林斯顿等离子物理实验室的核聚变研究人员指出,我们至少还要25年时间才能建成首座商用核聚变发电厂。但考虑到核聚变带来的巨大益处,我们还是要继续努力的。证明核聚变的可行性也许要不了这么久——我们也必须加快步伐,才能在计划未来的能源时将核聚变纳入考虑范围之内。

  与太阳能、天然气与核裂变等其它发电方式不同,核聚变无法先用微缩模型进行研发、再成比例地放大。核聚变在实验阶段就需要大规模开展,并且相关设备也需要花很久来准备。但在接下来的一个世纪中,人类必须设法获取充足、清洁的能源。如果不在核聚变这种最具前景的能源上想办法,就未免太愚蠢了。

  但这件事做起来相当困难:由于原子核均带正电荷,因此会与彼此相斥。除非它们以极高的速度运行,才能在相撞时融合在一起,释放出我们需要的能量。这样的过程在太阳上会自然而然地发生。但在地球上,我们需要用强大的磁铁来控制住由带电的氘、氚原子核与电子构成的超高温气体,也就是我们所说的等离子体。等离子体的温度极高,超过1亿摄氏度。在这样的高温下,带正电荷的原子核便能以超高速运行,冲破正电荷产生的排斥力,与别的原子核融合在一起。

  原子核融合之后会形成两个高能粒子——一个α粒子(氦原子的原子核)和一个中子。要想使等离子体达到如此高的温度,就需要在核聚变反应开始之前,向反应器中提供大量能量。但反应一旦开始,核聚变产生的能量就足以维持这一温度,多余的热量则可被我们用来转化成可利用的电能。

  核聚变所需的燃料在大自然中比比皆是。例如,水中含有大量的氘,反应器还可以将锂转化成氚。并且这些原料广泛分布于世界各国,不会受当地自然资源所限。核聚变是一种清洁的能量来源,不会产生温室气体,产物只有氦气和中子。

  核聚变是一种安全的反应过程,不可能像核裂变一样发生失控。如果反应出现异常,等离子体的温度就会下降,核聚变反应也就随之停止了。正是由于核聚变具有这样的特性,数十年来,人们才对其展开了不懈研究,并越来越被其所吸引。但核聚变虽然益处多多,对技术的挑战也同样不容小觑。核聚变领域取得的进展主要可以从两个方面进行衡量。

  首先,我们对高温等离子体有了更深入的了解。科学家专门创立了等离子体这一新的物理领域,研究如何将等离子体限制在强大的磁场中,后来还掌握了对等离子体进行加热、使其保持稳定、控制等离子体内部扰动的能力。

  其次,相关技术也取得了巨大进步。我们在磁体、电磁波源和粒子束领域都取得了重大突破,得以用它们来限制和加热等离子体。此外我们还研发出了能够承受等离子体极端高温的材料。

  从这一过程中取得的进步来看,核聚变商业化还是有望实现的。首屈一指的便是在实验室中产生的核聚变能量:上世纪70年代,科学家在实验室中产生的核聚变能量还只有几毫瓦,仅仅持续了几微秒;但到了90年代,普林斯顿等离子体实验室产生的能量便达到了1千万瓦特,欧洲联合科研中心在1秒钟里产生了的能量更是高达1600万瓦特。

  如今,国际科学界正联手在巴黎建造一处规模巨大的核聚变研究机构,即国际热核聚变实验反应堆(简称ITER,在拉丁语中意为“路”),它可以产生5亿瓦特的热核聚变能量,每次时间长达8分钟。如果将这些能量转化为电能的话,足以为15万户家庭供电。

  国际热核聚变实验反应堆(简称ITER,在拉丁语中意为“路”)

  在此次实验中,科学家将对可持续核聚变发电厂可能遇到的关键科学与工程问题进行测试。

  ITER采用了一种名叫“托塔马克”(tokamak)的反应装置,其中的等离子体呈甜甜圈状,受到强大的磁场约束。而该磁场的一部分是由等离子体中流动的电流产生的。

  “ 托塔马克”(tokamak)的反应装置

  虽然ITER是被当作研究项目来设计的,不准备用来产生电能,但它产生的核聚变能量将高达给等离子体加热所需的5千万瓦能量的10倍。

  这是一次巨大的科学飞跃。在此次实验中,等离子体加热所需的大部分能量都来自于核聚变反应本身。参与ITER项目的国家占了世界上一半的人口:中国,欧盟,印度,日本,俄罗斯,韩国和美国。此次项目就像一份强有力的国际声明,彰显了我们对实现核聚变的迫切需求和庄严承诺。

  接下来,我们的工作主要由两方面组成。 首先,我们必须继续开展对托塔马克的研究。要继续促进物理和工程领域的发展,让等离子体可以维持数月的稳定状态。我们还需要研发能够高耐热材料,可以在较长时间内承受相当于太阳表面温度五分之一的热量。此外,我们还要寻找反应堆堆芯的屏蔽材料,吸收反应释放出的中子。 其次,我们还需要从四个方面进一步加强核聚变的优势:

  1)在现有的物理和工程条件下,用计算机优化核聚变反应堆的设计。 计算结果显示,优化后的设计应为甜甜圈形状,运行起来非常稳定,并且能自动运作数月之久。在核聚变行业中,这种装置叫做“仿星器”(stellarators)。

  2)研发磁力更强、体积更小的新型高温超导磁铁,从而减少核聚变反应堆的体积和成本。

  3)用液态金属取代固态金属来约束等离子体。固态金属在接触等离子体时可能会破裂,而液态金属不会,因此或许能解决这个棘手的问题。

  4)取消甜甜圈状等离子体中间的空心设计,让等离子体的形状接近于球形。

  在采取上述做法之后,即使在强度稍弱的磁场中,实验装置也能照常运行,或许还能降低反应堆的大小和成本。

  如今,各国政府纷纷出资,支持上述两方面的研究。取得的成果将惠及核聚变能源领域的所有研究工作,并将进一步加深我们对宇宙中、以及工业中的等离子体的理解。而在过去的10至15年间,私营企业也加入了这一阵营,我们将不断进步,终有一日能获得用之不竭、清洁安全的能源。