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位于美國(guó)加州的勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。資料圖片

　　新聞背景

　　日前有消息稱，美國(guó)加利福尼亞州北部勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的激光聚變裝置—“國(guó)家點(diǎn)火裝置”(NIF)在最近的一次試驗(yàn)中，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量首次超過(guò)了燃料吸收的能量。這既是重要的科研進(jìn)展，也預(yù)示人類向著獲得“永久的清潔能源”的理想又前進(jìn)了一大步。

　　所有激光束進(jìn)入這個(gè)轉(zhuǎn)筆刀大小的圓柱體金屬艙內(nèi)部時(shí)，它們將產(chǎn)生強(qiáng)烈的X光線。這些X光線不僅僅可以把豌豆大小的氫燃料球壓縮成一個(gè)直徑只有人類頭發(fā)絲截面直徑大小的小點(diǎn)，它還能夠?qū)⑵浼訜岬酱蠹s300萬(wàn)攝氏度的高溫。盡管激光的爆發(fā)只能持續(xù)大約十億分之一秒，但物理學(xué)家們?nèi)匀幌Ｍ@種強(qiáng)烈的脈沖可以迫使氫原子相互結(jié)合形成氦，同時(shí)釋放出足夠的能量以激活周?chē)渌麣湓拥木圩儯钡饺剂嫌帽M為止。

　　隨著人類社會(huì)生產(chǎn)與生活對(duì)能源的需求不斷增加，化石燃料開(kāi)采量越來(lái)越大，資源枯竭問(wèn)題越來(lái)越突出。現(xiàn)實(shí)要求我們必須盡快尋求其他方法，大量生產(chǎn)安全、可靠、無(wú)污染、清潔環(huán)保的可持續(xù)能源，以滿足未來(lái)人類社會(huì)發(fā)展的長(zhǎng)期需要。

　　對(duì)核聚變能的研究之所以一直受到科學(xué)家的普遍重視，是因?yàn)橐赃@種方式獲得的能源，所用的燃料（例如氫元素中的兩個(gè)同位素氘和氚）就存在于海水中，永不枯竭；它不排放二氧化碳，不會(huì)對(duì)地球大氣產(chǎn)生溫室效應(yīng)，不需處理那些傷害人類居住環(huán)境的、具有非常長(zhǎng)半衰期的強(qiáng)放射性核廢料，不會(huì)發(fā)生鈾基核裂變電站堆芯熔融的核事故！

　　盡管有這么多誘人的好處，但長(zhǎng)期以來(lái)核聚變能被各大國(guó)政府所持的能源政策所忽視，其理由是，核聚變能的研究離實(shí)用還很遙遠(yuǎn)，技術(shù)“太不成熟”了。

　　實(shí)現(xiàn)核聚變

　　需超高溫、超高壓兩個(gè)條件

　　眾所周知，核聚變能是宇宙中恒星（例如太陽(yáng)）的動(dòng)力來(lái)源。而太陽(yáng)深部之所以能產(chǎn)生熱核聚變反應(yīng)，是因?yàn)樘?yáng)內(nèi)部有極高的溫度；太陽(yáng)深部物質(zhì)等離子體遭遇來(lái)自太陽(yáng)中心的、天然存在的巨大重力壓力。這意味著太陽(yáng)深部物質(zhì)等離子體的密度極大。

　　人類想要在地球上成功模擬太陽(yáng)內(nèi)部不斷發(fā)生的熱核聚變過(guò)程而獲得巨大能量，就必須為能產(chǎn)生聚變的物質(zhì)等離子體創(chuàng)造兩個(gè)必要條件，即：極高的溫度和極大的壓力（即極大的密度）。這也是氫彈成功爆炸的必要條件。

　　從物理學(xué)基本知識(shí)可知，溫度越高，物質(zhì)粒子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能就越大，運(yùn)動(dòng)越激烈。按照科學(xué)家的理論估算，等離子體內(nèi)離子的動(dòng)能必須大于10～20千電子伏，核聚變才可能發(fā)生。這就是說(shuō)，等離子體的溫度至少要高于1.1億攝氏度。

　　等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，壓力、溫度、體積三者的相互關(guān)系也具有與氣體相似的性質(zhì)，被稱為“類氣體”。如果大大增加壓力，等離子體的體積就會(huì)被壓縮，這意味著在它內(nèi)部的粒子相互碰撞的機(jī)會(huì)大大增加。對(duì)于氘-氚核聚變反應(yīng)來(lái)說(shuō)，科學(xué)家推算，等離子體密度要大于200～1000 克/立方厘米，大致相當(dāng)于固態(tài)鉛密度的100倍。要做到這一點(diǎn)顯然極其艱難，因?yàn)榈入x子體中的氘核和氚核都帶正電荷，自然產(chǎn)生靜電斥力，而且極高的溫度使等離子體內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)更劇烈，所以，要和離子間的斥力抗?fàn)帲茖W(xué)家必須引入極為強(qiáng)大的壓力（至少相當(dāng)于地球表面大氣壓的1000億倍）施與高溫等離子體。

　　如果上述兩個(gè)條件都能滿足，兩個(gè)氫元素的原子核就能靠近得足以聚合成為新的元素，引發(fā)聚變反應(yīng)，釋放出巨大的能量。然后，人類還應(yīng)能夠駕馭它，使這一聚變反應(yīng)按照我們的需要來(lái)持續(xù)釋放能量，為人類使用。

　　激光“點(diǎn)火”

　　實(shí)現(xiàn)可控核聚變途徑之一

　　迄今為止有兩種方案可能實(shí)現(xiàn)人工駕馭的核聚變。第一種是“磁約束核聚變”。磁約束的難點(diǎn)在于受強(qiáng)大磁場(chǎng)約束的等離子體依然不易被約束，它們很易逃逸（泄漏）或常常變得不穩(wěn)定。有我國(guó)參與、七國(guó)聯(lián)合建設(shè)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的科學(xué)家們正在加緊研究解決之道，為最終實(shí)現(xiàn)磁約束可控核聚變而努力。

　　第二種稱作“慣性約束核聚變”，那是瞬間將一個(gè)含有聚變物質(zhì)氘和氚的微型燃料靶丸加熱至超高溫度，并同時(shí)對(duì)它施以極大壓力，將靶丸物質(zhì)高度壓縮而導(dǎo)致“點(diǎn)火”引發(fā)核聚變的過(guò)程。

　　“慣性約束核聚變”可以通過(guò)下面的具體例子來(lái)說(shuō)明?？茖W(xué)家設(shè)想制造一個(gè)中空的、直徑約為2毫米左右的微型塑膠小球丸，其內(nèi)封有適當(dāng)比例的、能引發(fā)核聚變的氘（也稱“重氫”）和氚（也稱“超重氫”）混合反應(yīng)物約150微克。當(dāng)它在二百億分之一秒的極短的時(shí)間內(nèi)被加熱至超過(guò)1.1億攝氏度的極高溫度時(shí)，小球丸表層物質(zhì)原子的外層電子就會(huì)迅速被剝離，帶正電荷的原子核因排斥力而飛離小球丸，它們高速飛離的同時(shí)又對(duì)小球丸中心產(chǎn)生強(qiáng)大的反作用力，其所形成的“沖擊波”會(huì)從各方對(duì)著小球中心產(chǎn)生極大的壓力，形成足夠強(qiáng)大的慣性約束，使得小球丸內(nèi)各原子核在同一瞬間達(dá)到極高密度水平，這時(shí)各原子核之間就能克服本來(lái)的靜電斥力而聚合在一起，從而導(dǎo)致核聚變反應(yīng)的產(chǎn)生。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　用高能離子束、或者用X光束照射，都可以用于加熱并壓縮小球丸。自從上世紀(jì)60年代激光器問(wèn)世以來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)知道激光束具有高能量密度的特性，強(qiáng)激光脈沖可以電離氣體中的原子，使電子與原子核分開(kāi)，產(chǎn)生等離子體。早年的勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家于是開(kāi)始考慮用收斂的高功率脈沖激光束在實(shí)驗(yàn)室里點(diǎn)燃核聚變，引發(fā)“微爆”，并為此做了很多前期的研究。

　　利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室建設(shè)世界上最強(qiáng)大的激光器研究核聚變的計(jì)劃，得到美國(guó)能源部及其屬下的國(guó)家核安全局的支持。憑借著能源部超過(guò)35.4億美元的巨大前期投資，這個(gè)世界最大的激光器于1997年開(kāi)始建設(shè)。雖然期間遇到諸多周折，但到2009年終于建成。整個(gè)NIF項(xiàng)目占地面積16 000多平方米，差不多有三個(gè)足球場(chǎng)那么大。這使利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室一舉成為擁有世界上最先進(jìn)、最強(qiáng)大的激光系統(tǒng)，最有條件進(jìn)行激光受控?zé)岷司圩兲剿餍匝芯康膶?shí)驗(yàn)室。2012年7月的實(shí)驗(yàn)中，192支高能激光器構(gòu)成陣列發(fā)射的紫外激光脈沖雖然只維持了10億分之23秒，但產(chǎn)生的峰值功率達(dá)到500萬(wàn)億瓦，相當(dāng)于美國(guó)在任何給定時(shí)間內(nèi)全國(guó)耗電總功率的1000倍。

　　激光約束核聚變

　　商業(yè)化運(yùn)行要克服諸多困難

　　眼下，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)的巨大投入已經(jīng)收獲了兩大具有里程碑意義的目標(biāo)。第一個(gè)目標(biāo)是，它向世人展示，人類完全有能力使用強(qiáng)大脈沖激光“點(diǎn)火”，實(shí)現(xiàn)人工的熱核聚變。第二個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)了能量增益，就是說(shuō)，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量首次超過(guò)了燃料吸收的能量。

　　不過(guò)，要達(dá)到建設(shè)多個(gè)受控核聚變反應(yīng)堆、最終用其建成數(shù)百萬(wàn)千瓦級(jí)核聚變發(fā)電站的目標(biāo)，還有很多工作要做。

　　例如，成功點(diǎn)火之后如何清理聚變產(chǎn)物，不是成功地點(diǎn)幾次火而是有規(guī)律地不斷（即高重復(fù)頻率）“點(diǎn)火”、“清理”，實(shí)現(xiàn)“自持”的鏈?zhǔn)胶司圩兎磻?yīng)等，科學(xué)家還需探索；

　　此外，激光技術(shù)特別是半導(dǎo)體二極管泵浦固體激光器、大功率半導(dǎo)體激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)慣性約束核聚變研究的作用十分重要，隨之帶來(lái)的大尺寸非線性光學(xué)（倍頻）晶體（注：它是一種比金子還要貴重的人工晶體）、超大功率激光器件等不斷更新，將可能促進(jìn)“點(diǎn)火”方案的更新；

　　還有，聚變產(chǎn)物有中子釋放出來(lái)，它的強(qiáng)穿透能力以及對(duì)生物、人體的傷害不可忽視。燃料中的氚也具有放射性，它釋放出β粒子，其半衰期為12.5年，也要認(rèn)真注意屏蔽。如何既經(jīng)濟(jì)又安全地獲得并濃縮氚燃料，也是需要進(jìn)一步探索的。

　　專家普遍認(rèn)為，在現(xiàn)有的成就基礎(chǔ)上再有幾十年的努力，一整套商業(yè)上可運(yùn)行的、成熟的激光慣性約束受控核聚變百萬(wàn)千瓦級(jí)發(fā)電廠，將很有可能在本世紀(jì)中葉出現(xiàn)。