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“人造太阳”成为人类社会能源革命的希望

时间：2015-11-13 14:08作者：update 阅读(1094) 评论: 5

导读：全世界科学家都在等待那一刻，上百条高强激光束同时点火射向一个由氘和氚两种氢原子组成的“燃料球”靶件。“中箭”的靶件将瞬间达到上亿摄氏度的高温，引发氘和氚初始的聚变反应，产生热能会维持接下来的链式反应。 ...

全世界科学家都在等待那一刻，上百条高强激光束同时点火射向一个由氘和氚两种氢原子组成的“燃料球”靶件。“中箭”的靶件将瞬间达到上亿摄氏度的高温，引发氘和氚初始的聚变反应，产生热能会维持接下来的链式反应。如同烧柴一样，火点着了，柴就会自行燃烧下去。这场备受期待的“燃烧”可不是谁家的锅炉灶台，而是一台代号为“W7-x”的 “仿星器”（Stellarator）。作为核聚变反应研究设备，它更为人知的名字是“人造太阳”。太阳的光和热都从热核聚变反应而来，如果人类效仿这个原理，制造一个“可控”的“太阳”，就有望为解决地球能源危机找到新的出路。

如果说重原子核在中子打击下分裂放出的"裂变能"是当今原子能电站及原子弹能量的来源，则两个氢原子核聚合反应放出"核聚变能"就是宇宙间所有恒星（包括太阳）释放光和热及|QINGDAN的能源。人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电核的轻原子核靠近从而产生聚变反应，控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中，氢的同位素---氘和氚的核聚变反应（即QINGDAN中的聚变反应）是相对比较易于实现的。

氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量；氚可在反应堆中通过锂再生，而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没有放射性，中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物，不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性，可以说，聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。

考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件，若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应，则气体温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下，气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开，各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为"等离子体"。因此，实现"受控热核聚变"首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体，使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是，超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束，使之不飞散的，因此必须寻求某种途径，防止高温等离子体逃逸或飞散。具有闭合磁力线的磁场（因为带电粒子只能沿磁力线运动）是一种最可能的选择。对不同设计出的"磁笼"中等离子体运动行为及防止逃逸的研究（即所谓稳定性研究），成为实现受控热核聚变的第二个难点。如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行，上亿度的高温必须能长时间维持（不论靠聚变反应产生的部分能量，或外加部分能量）。或者可以说，等离子体的能量损失率必须比较小。提高磁笼约束等离子体能量的能力，这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除了验证科学可行性外，建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。

从20世纪40年代末起，各国就开发了多种磁笼途径，并由之出发，对聚变能科学可行性展开了不同规模的理论与实验探索研究。投入科学家及工程师上千人，经费总计每年超过10亿美元。各途径竞争非常激烈，其间纷争不断。在这过程中，人们对实现聚变能难度的认识也逐步加深。但从20世纪70年代开始，苏联科学家发明的"托克马克"途径逐渐显示出了独特的优点，并在80年代成为聚变能研究的主流途径。托克马克装置又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的"磁笼"。等离子体就被约束在这"磁笼"中，很像一个中空的面包圈,等离子体环中感生一个很大的环电流。随着各国大小不一的托克马克装置的建成、投入运行和实验，托克马克显示了较为光明的前景：等离子体达到了数百万度，等离子体约束也获得了明显效果。科学家们认识到，如果扩大此类装置的规模，有可能获得接近聚变条件的等离子体。

20世纪90年代，在欧洲、日本、美国的几个大型托克马克装置上，聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。初步进行的氘-氚反应实验，得到16兆瓦的聚变功率。可以说，聚变能的科学可行性已基本得到论证，有可能考虑建造"聚变能实验堆"，创造研究大规模核聚变的条件。

此刻，W7-x正待在德国马克斯·普朗克研究所（简称“马普所”）的大型实验室里，一边接受最后的检测，一边等待德国核能源管理部门批准它的下一步行动。如果一切顺利的话，就在本月内，它将成为核聚变能量可控使用研究领域的一颗新星，照亮人类的能源出路。在德国东北部城市格赖夫斯瓦尔德，W7-x静静趴在实验室一角。高3.5米、宽约16米，看起来像个扭来扭去的大圆环，银色的表面坑坑洼洼，布满大小不一、各种形状的元器件。这位“高富帅”身价10亿欧元，内部有20个平面磁线圈和50个非平面磁线圈。马普所的工作人员投入了19年、110万个工时，到2014年5月才完成了它的建设。超级计算机给它用上了有史以来最复杂的工程模型之一，连焊接都由激光扫描检测，组装精度达到毫米级。费这么老大劲，是因为 W7-x必须扛住极高的温度和极大的压力，这些正是核聚变反应条件。

核聚变原理并不复杂：当两个质量较轻的原子核聚合为一个较重的新原子核时，大量电子和中子能够逃离原子核的束缚，带来巨大能量。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变。实现这个原理则需要高温与高压，才能让两个原子核相互吸引而碰撞。这活儿太阳自个儿就能搞定。它的中心温度高达2000万摄氏度，自身重力强大，能形成高压状态，使核聚变得以发生并持续。可要在地球上模拟太阳，由于引力太小、压力不够，核聚变需要在超过1亿摄氏度的温度下才能进行。在这个温度下，任何固体材料都将被熔毁，但超导磁线圈会用磁场形成“笼子”，让可怕的“猛兽”——高温等离子体在有限体积内运行，完全不与“人造太阳”的腔壁接触。根据设计方案，W7-x能耐得住1.5亿摄氏度高温，长达30分钟。

身为目前全世界最大、“版本”最新的仿星器，W7-x被研究人员寄予厚望——实现核聚变能量的可控使用。人类对于核聚变能量的使用，是从“不可控”开始的。第二次世界大战期间，美苏加快对核武器的研制。1945年爆炸的首颗原子弹采用了核裂变原理，不到10年，应用核聚变的第一颗QINGDAN也爆炸了。这种能量的瞬间释放会造成极大的破坏，只能应用于战争。让核能释放长期、持续、安全、和平地进行，关键就在于核反应的可控性。直到1985年冷战末期，美苏元首才共同发表一份不包含任何实际承诺的联合声明，结尾表示“在核聚变能方面进行最广泛的切实可行的国际合作”，用核聚变为人类造福。核裂变的可控性在“曼哈顿计划”时代已经解决。1954年，苏联就建成了第一个核电站。而从不可控的QINGDAN爆炸到可控的核聚变能源利用，注定要走一条很漫长的道路。

核聚变产生的能量远在化石能源与核裂变反应之上，且清洁安全。“核聚变让人着迷。”为“国际热核实验反应堆”项目协调奔走多年的韩国科学家李秀景说，“就像中世纪的人们追寻炼金术一般，它是能源研究的‘圣杯’。”地球上的能源危机早已出现。人口增加、工业发展等压力使能源消耗更加迅速。几乎所有国家的发展都依赖煤、石油、天然气等化石能源，而其燃烧引发的温室效应、酸雨现象又对人类生存环境造成严重破坏。经过长期开采，化石资源日趋枯竭。人们拼命寻找替代能源，并越来越重视核能的应用。当前，核电站或核能发电厂的能量来源是核裂变，其能量产生过程与核聚变相反。1千克铀-238全部核裂变将产生2万兆瓦小时的能量，与燃烧至少200万千克煤释放的能量一样多。但核裂变利用有几个弊病——原料稀有、资源有限；产生放射性元素、废料无法安全处理；最可怕的就是可能产生核泄漏。不少国家现在已经着手限制和缩减核电站。前美国能源部首席科学家雷蒙德·奥巴赫曾表示，自己对世界未来的能源需求感到惊恐：“从哪儿弄这么多能源？”

在研究者眼中，核聚变是满足世界能源需求的唯一希望，是一颗能源新星。据计算，1千克氢燃料经过聚变反应，至少可以抵得上4千克铀燃料或1000万千克优质煤燃料。比起稀少的核裂变原料，每升海水中就含有0.03克氘，总计45万亿吨。它们都聚变的话，能保证人类上百亿年的能源消耗。无论反应前后，核聚变需要的和产生的都是无害元素，清洁安全。氘的提取方法也比较简便，成本较低。“核聚变不会释放二氧化碳，基本上取之不尽用之不竭，还不会对环境造成影响……你还能找到比它强的吗？”雷蒙德·奥巴赫说。只要将氘、氚原子注入反应堆密封装置，再进行“点火”，经过一段时间，核聚变产生的温度就足够令原子核继续发生聚变。在这个过程中，只要氦原子核和中子被及时排除，输入新的氘氚混合气，核聚变就能持续下去。产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。

这幅和谐的画面始终吸引着各国科学家。尽管质疑者们常常开玩笑说，这项奇迹永远都是“还要再等30年”，但支持者们坚信，人类离这样一个清洁而且几乎是无限的能源已经越来越近。在艰难的准备工作后，“人造太阳”终于完美通过检测，等待点火，在近乎完美的理论架构之下，可控核聚变的实际研究进程经历了难以想象的坎坷艰难。在得到世人瞩目之前，W7-x的星路并不平坦。目前，最常见的核聚变反应堆设备并不是W7-x所代表的仿星体，而是与它十分相似的兄弟——托卡马克（Tokamak），同属“国际热核实验反应堆”项目。项目设立之初，美国、苏联、日本和欧洲共同参与，体量庞大，运用了当时最先进的技术。在之后的几十年里，尽管成本翻倍、设备制造协作不畅、完工日期一拖再拖，但科学家们还是往前走了一大截。

然而，比起W7-x，托卡马克装置设计存在一些安全风险，有可能释放强大的磁场力击毁整个反应堆。这样的缺陷即使在最新露脸的类球形托卡马克设计中依然存在。有人认为，托卡马克能够检验核聚变是否可行，但它不能证明核聚变是否可以商业化运行。它在实验中运行良好，但电站需要的是简单、易维护。英国原子能管理局首席执行官史蒂文·考利就曾表示，“无法想象一台到处叮叮咣咣的机器怎么能日复一日稳定工作。”在科学家们为托卡马克的瓶颈发愁时，仿星体W7-x以一匹黑马的姿态出现在人们的视野中。首个仿星器于1951年在普林斯顿大学建造，从根本上避免了托卡马克的问题：磁场完全来自外部线圈，没有会突然中断的等离子体电流。但受限于当时的技术，仿星器对粒子的有效约束远不如托卡马克。因此，从上世纪70年代开始，大多数核聚变研究都聚焦于后者。2014年5月，在经历了险遭取消、预算上调等重重波折后，W7-x宣告完工。作为一颗“优化升级”的“新星”，从理论上讲，它可以在增添安全性和稳定性的基础上，达到前辈所具有的一切性能表现。

在过去一年内，这颗“小太阳”在各种调试检测中都表现良好。今年7月，它还早于原计划进行了磁场的电子束测试。负责这项工作的马普所科学家表示，一切完美而精确。真正的最终检验是点火那一刻。科学家们期待，这颗新星的“燃烧”能照亮他们未来的研究进程。在探索核聚变可控的道路上，这个万众瞩目的时刻也注定只是一簇火花。未来，它还要满足人们“民用化、小型化和经济型”的期待。有人说，几十年来的尝试充分说明核聚变是一条死胡同，付出心血的科学家们却依然坚定。“我是搞技术的，只关注技术方面的事情，只考虑需要做些什么让它在未来发挥作用。我不会去说花了几十年才走到这一步。”斯蒂文·考利说，“要知道，人类整整用了3000年才会飞。”

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