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日不落能源梦想--人类下一代新核能源展望

自从第一次石油危机以来,世界各国竞相发展节能技术,但是人类目前可利用的能源资源毕竟有限,主要能源将在未来几十年至100多年的时间内枯竭。今后几十年里,世界各国为争夺石油资源将不可避免发生国家间的冲突乃至战争,最近的伊拉克战争就是争夺石油资源最好的例子。同时传统能源还会带来环境问题,如温室气体的增加可引起气候变化等。

最近,由中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国参加的国际热核反应堆合作计划(ITER)因其最终选址问题再次引起了人们的兴趣。这个被称为人造太阳的热核反应堆,不仅因为1.3万亿日元的巨大投资引起了人们极大的关注,更因为如能在未来50年内开发成功,将在很大程度上改变目前世界能源格局,使人类今后将拥有取之不尽、用之不竭的清洁能源。

来自太阳的灵感

太阳,高悬九天之上,温暖而灿烂。其永恒放射的万丈光焰自古幻为我们祖先崇拜的图腾,大脑中挥之不去的谜团。斗转星移,沧海桑田,直到19世纪末,放射性研究的开启才真正将人类引领到太阳迷宫的门外,而核聚变的发现终于使人类喊出了那一声响亮的“芝麻开门”。

最初,剑桥卡文迪许实验室的英国化学家和物理学家阿斯顿,在用自己创制的摄谱仪从事同位素研究时发现,氦-4质量比组成氦的4个氢原子质量之和大约小1%左右。1929年,英国的阿特金森和奥地利的奥特斯曼联合撰文,证明氢原子聚变为氦的可能性,并认为太阳那千秋喷薄的光与热皆源自这种轻核聚变反应。

随后的研究证实,太阳发出的能量来自组成太阳的无数的氢原子核。在太阳中心的超高温和超高压下,这些氢原子核相互作用,发生核聚变,结合成较重的氦原子核,同时释放出巨大的光和热。于是,科学家设想,如果实现人工控制下氢元素的核聚变反应即受控热核反应,那么在地球上同样可以创造出一个个具有不竭能量的人造太阳。

在地球上造太阳并非科学狂人的疯狂之举,而是人类自身生存的必需。200年之内,石油、煤、天然气资源均面临枯竭的危险。20世纪后半叶,核能利用出现热潮,各种类型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。但目前所有核电站的原理,都是利用铀等大原子量的重元素原子核的裂变,来释放巨大能量的。且不说这种类型的裂变电站引发的核污染噩梦与之创造的能量同样触目惊心,单就其主要原料铀而言,地球的储量也仅够维持数百年之用。

因此,人类不得不再次将索求的目光投向太阳,并将最终解决能源需求的希望寄托于受控核聚变的实现和推广,试图建设利用氢的同位素氘和氚的原子核实现核聚变的热核反应堆。

热核聚变所用的重要核燃料是氘。一座100万千瓦的核聚变电站,每年耗氘量只需304千克。据测,每1升海水中含30毫克氘,30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油,就是说,“1升海水约等于300升汽油”。地球上海水中有45万亿吨氘,足够人类使用60亿年。

更为可贵的是核聚变反应中几乎不存在放射性污染,无需担忧失控,不会发生爆炸,是一种真正无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源。

其实,人类早已实现了氘氚核聚变———氢弹爆炸,但那种不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难,而驯服核能,使核聚变在人为控制下为人类服务却是件异常艰难的事。时至今日,人们越来越清醒地认识到,受控核聚变实现之日方是我们真正摆脱能源危机之时。

人造几亿摄氏度高温

早在1938年,人们就发现了核聚变。然而,距1942年第一座核裂变反应堆建成已半个多世纪了,受控聚变还是迟迟没有实现有益的能量输出。

如此举步维艰的根本原因,是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难得多。

都带正电的原子核间既彼此吸引又互相排斥,当两个原子核之间相距只有约万亿分之三毫米时,它们之间的吸引力才会大于静电斥力,两个原子核也才可能聚合到一起同时释放出巨大的能量。而满足这样的条件需要的是几千万甚至几亿摄氏度的高温。

人类要和平利用核聚变,必须是可以控制的聚变过程。比较切实可行的控制办法是通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量,使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此,核聚变装置中的气体密度要很低,只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一,而且对能量的约束也要有足够长的时间。也就是说,我们无法简单模拟太阳中心那样高的等离子体密度和上亿的温度,只有追求比太阳中心更高的温度来解决碰撞几率问题。创造这样苛刻的环境在技术上的难度就可想而知。还有,超高温的等离子体,有强烈地向外扩张的特性,必须有极强的磁场来约束住它们,绝对不让它们与四周容器壁接触,试想,怎样的材料才能装进“太阳”而不自身化为乌有?

20世纪下半叶,聚变能的研究取得了重大的进展,而托卡马克类型的磁约束研究更是一路领先,并成为世界上第一座热核反应堆的设计基础。

制成能装“太阳”的容器

这个能将几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质———人造太阳,置入其中的托卡马克究竟身为何物?

托卡马克(TOKAMAK)在俄语中是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的组合,即环流磁真空室的缩写。

曾因成功解释切伦科夫辐射现象获1958年诺贝尔物理学奖的苏联著名物理学家塔姆,早在20世纪50年代初,就提出了用环形强磁场约束高温等离子体的设想。

他认为,把强电流产生的极向磁场与环形磁场相结合,可望实现高温等离子体的磁约束。受这一思想的启发,前苏联物理学家阿奇莫维奇开始了这一装置的研究。最初,他们在环形陶瓷真空室外套多匝线圈,利用电容器放电使真空室形成环形磁场。与此同时,用变压器放电,使等离子体电流产生极向磁场。后来又利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室,还改进了线圈的工艺,增加了匝数,改进了磁场位形,最后成功地建成了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克。

具有奇特旋转磁场位形的托卡马克的出现,使受控核聚变研究取得了重大的进展。自20世纪70年代起,世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美、欧、日、苏建造了四个大型托卡马克,中国科学院物理所继第一台小型托卡马克CT-6于1975年投入运行后,1984年6月,又建成了中国环流1号(HL-1)。2002年12月,中国环流器2号A,在成都核工业西南物理研究院建成并投入运行。

目前,全世界有30多个国家及地区开展了核聚变研究,运行的托卡马克装置至少有几十个。

毋庸讳言,ITER计划还处于筹备与起步阶段,遥望太阳腾空之处依旧是层叠群山。但是,迎接挑战是人类进步的重要原动力。我们有理由相信,不远的将来,世界各国的聚变精英定会不负使命,在托卡马克之中变出个太阳给你看。