世界最大激光器、被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置(NIF)正距離其目標(biāo)越來越近,顯示了一個可持續(xù)核聚變反應(yīng)裝置正在由夢想逐步成為現(xiàn)實。但由于基礎(chǔ)物理研究和工程技術(shù)的問題,要使核聚變達(dá)到能夠穩(wěn)定輸出能量的水平,仍有顯著障礙需要克服。
中東的石油、南非的黃金……能源危機(jī)已經(jīng)成為困擾人類發(fā)展的重要難題之一。據(jù)研究,地球數(shù)十萬年積聚下來的石油、煤炭、天然氣等化石能源總體上還可供人類使用100年左右。而當(dāng)前使用的核能又因其巨大的安全風(fēng)險,可持續(xù)性并不被人看好。因此,核聚變成為了人類暢想獲取“取之不盡,用之不竭”的能源的最佳途徑。
依據(jù)激光核聚變原理制造的、被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置(NIF)近日傳來消息,在全世界聚變裝置中獲里程碑式突破。
可控核聚變條件苛刻
上個世紀(jì)40年代,德國核物理學(xué)家奧多·哈恩和莉澤·邁特納發(fā)現(xiàn)了核裂變,但無論是利用該反應(yīng)制造的核武器或是核電站,都因燃料本身以及反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生的巨大輻射,令科學(xué)家不得不一直異常謹(jǐn)慎地對待它。
與之相反,太陽釋放出的巨大能量,由兩個氫原子核合為一個氦原子核的聚變反應(yīng)而產(chǎn)生。相較于裂變,每個核子釋放的能量,也就是每千克聚變?nèi)剂厢尫诺哪芰扛啵业厍蛏暇圩內(nèi)剂系膬α扛S富,更重要的是,燃料以及聚變產(chǎn)生的輻射要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂變。
只是,所有原子核都帶正電,它們之間越接近,靜電斥力也就越強(qiáng),完成聚變最重要的條件就是克服這種力量。太陽因其高達(dá)2000萬攝氏度的中心溫度,以及在自身強(qiáng)大重力的吸引下形成的超高的壓力狀態(tài),才使得核聚變得以發(fā)生并持續(xù)。要在地球上完成這一過程,因為引力太小,壓力不夠,核聚變需要在更高的溫度下(這樣的溫度下物質(zhì)處于等離子體狀態(tài))才能進(jìn)行。這也是可控核聚變?nèi)绱似D難的原因?!★@然,為滿足可控核聚變苛刻的條件,首先要輸入大量的能量。當(dāng)核聚變反應(yīng)釋放的能量大于輸入的能量,這一臨界條件稱之為點火,才有能源應(yīng)用的價值。實際上,由于創(chuàng)造聚變條件消耗的電能,一般要3倍于它的熱能才能生產(chǎn)出來,所以要使能量增益因子等于3時,才能真正地實現(xiàn)得失相當(dāng)。
中國科技大學(xué)物理學(xué)院教授王曉方告訴筆者,如同日常生活中點燃柴火一樣,點火后不再需要外界供熱助燃,柴火燃燒釋放的熱能足以燃燒新的柴火,并使這樣的燃燒釋熱能夠持續(xù),這才是真正實現(xiàn)了點火。柴火相當(dāng)于核聚變中的等離子體狀態(tài)物質(zhì)。
1957年,英國科學(xué)家勞遜提出了達(dá)到點火的一般性條件,也稱為得失相當(dāng)條件,即勞遜判據(jù)。對于氘氚聚變,為了較容易實現(xiàn),要求等離子體的溫度達(dá)到1億攝氏度。
美國點火計劃在麻煩中前行
在地球上,核聚變最先是在氫彈中大量產(chǎn)生的。在氫彈中,引爆用的原子彈所產(chǎn)生的高溫高壓,使氫彈中的聚變?nèi)剂蠑D壓在一起,由于物質(zhì)的慣性,在飛散之前產(chǎn)生大量聚變(也叫慣性約束核聚變)。只不過,氫彈爆炸威力巨大,人類無法控制它。
上個世紀(jì)60年代,利用該原理,前蘇聯(lián)科學(xué)家提出并證明了激光可以使氘氚發(fā)生聚變。直到2009年,耗資35億美元的美國國家點火裝置(簡稱NIF)終于讓科學(xué)家看到了激光核聚變實現(xiàn)的可能性,人類寄希望于能從該實驗室中獲得“取之不盡,用之不竭”的清潔核能。
這個世界上最大的激光聚變機(jī)器坐落在加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的一個特大號“倉庫”里。在裝置內(nèi)部,激光器會產(chǎn)生192條激光束,射向一個含氘氚的氫球形靶丸上使其崩潰,并產(chǎn)生一億攝氏度左右的高溫,從而觸發(fā)氫原子聚變,釋放大量能量。激光和氫靶丸的碰撞過程極其短暫,僅持續(xù)數(shù)幾個納秒(1納秒等于10億分之1秒)。為了達(dá)至臨界點或者說點燃反應(yīng)堆,激光器的設(shè)計能量為1.8兆焦耳。
早在去年,據(jù)《自然》雜志報道,被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置(NIF)所發(fā)射出的激光已經(jīng)達(dá)到了2兆焦,也是激光向核聚變能源邁出的第一步。
近日,據(jù)BBC新聞網(wǎng)10月7日報道,在9月末進(jìn)行的一次聚變實驗中,聚變反應(yīng)釋放出的能量超過了氫燃料球吸收的能量——在全世界聚變裝置中取得了里程碑突破。不過,記者尚未在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室官方網(wǎng)站上看到該消息。
事實上,NIF項目并非一帆風(fēng)順,NIF研究團(tuán)隊點火目標(biāo)的推進(jìn)曾一推再推。據(jù)《科學(xué)美國人》報道,去年美國國家科學(xué)院專家小組的一份中期報告顯示,NIF激光觸發(fā)核聚變的方法并不被十分看好?!⊥鯐苑礁嬖V筆者,激光器的發(fā)射重復(fù)率還很低,無法持續(xù)聚變產(chǎn)能。“這是因為,目前激光器所使用的玻璃放大介質(zhì)無法滿足既在單位時間內(nèi)能發(fā)射更多次數(shù),又保證激光束的質(zhì)量。”
目前,NIF的激光器每天只能發(fā)射幾次。只有當(dāng)每秒鐘發(fā)生三四次甚至更多的核聚變且連續(xù)不斷地進(jìn)行下去,并且每次聚變的能量增益達(dá)到10~100倍,才能實現(xiàn)實用化。
“為了提高激光發(fā)射的重復(fù)率,科學(xué)家也在研發(fā)新型激光器,比如半導(dǎo)體激光泵浦,還有光纖激光器等。”但王曉方表示,這些激光器尚不能做成足夠的規(guī)模,激光輸出的能量還不足以來實現(xiàn)聚變點火。“目前,還沒有找到提高激光發(fā)射重復(fù)率從而持續(xù)聚變產(chǎn)能的好辦法。”
據(jù)了解,近日,NIF研究團(tuán)隊已經(jīng)將激光對準(zhǔn)了真正的燃料球,實驗更進(jìn)一步,但點火靶球卻在極端的溫度和壓力下屢次過早破裂。不難看出,美國國家點火裝置的麻煩始終與新進(jìn)展同在。
核聚變研究期待新突破
事實上,除慣性約束核聚變以外,最先被科學(xué)家發(fā)現(xiàn),也是至今最被看好的核聚變是磁約束。為實現(xiàn)磁力約束,需要一個能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的環(huán)形磁場的裝置,上世紀(jì)50年代,這種裝置就被稱作“托克馬克”裝置。王曉方告訴筆者,從工作原理來說磁約束更適合持續(xù)提供聚變能。
倡議于1985年的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,是目前全球最大的磁約束核聚變實驗項目,由美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國、印度和中國共同參與。ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的“超導(dǎo)托克馬克”。作為聚變能實驗堆,ITER計劃把上億攝氏度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達(dá)837立方米的磁場中,產(chǎn)生50萬千瓦的聚變功率,持續(xù)時間達(dá)500秒。不過,目前為止,該項目還一直在追加預(yù)算,在工程技術(shù)上也依然存在問題,進(jìn)展遲緩。
王曉方表示,ITER還只是一個實驗計劃,即使ITER獲得成功,還要建造新的聚變反應(yīng)堆,才可能進(jìn)入能源實用化階段。
而磁約束之所以比慣性約束更被看好,還有一個原因是,NIF的設(shè)計初衷是用于測試核武器可靠性,是美國“無爆炸核試驗”不可或缺的部分。此外,也能被用來模擬超新星、黑洞邊界、恒星和巨大行星內(nèi)核的環(huán)境,進(jìn)行科學(xué)試驗。慣性約束一直被認(rèn)為是由涉及國家安全和武器研發(fā)的政府和聯(lián)合企業(yè)所資助的,它們研究核聚變是為了武器開發(fā),而不是用于民用電廠。
但美國核武器獨(dú)立專家理查德·加溫曾在接受媒體采訪時表示,NIF裝置中的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于真正的核武器所產(chǎn)生的溫度,他并不支持慣性約束的研發(fā)與核武器測試直接相關(guān)。
清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院一位不愿透露姓名的專家在接受筆者采訪時表示,根據(jù)當(dāng)前的材料和工程技術(shù),核聚變遠(yuǎn)不能達(dá)到穩(wěn)定輸出能量的水平。他認(rèn)為,核聚變實用化的關(guān)鍵還是來自材料領(lǐng)域的革命性突破。
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