【导语】一日不掌握可控核聚变,“能源枯竭”这柄达摩克利斯之剑就一日人类在头顶高悬。可控核聚变距离现实并不遥远。 【可控核聚变取得重大突破】 *可控核聚变 = 把火点着+ 别把锅烧穿* (“国家点火装置”(National Ignition Facility)的靶室) 最近新闻中,与人类前途关系最密切的恐怕要属这一条:美国名为“国家点火装置”的核聚变实验装置实现了释放能量大于消耗的燃料。 (以激光进行惯性约束聚变的图解:1. 激光光束快速加热燃料球表面2. 燃料核遭到挤压3. 当燃料核温度到达1亿摄氏度4. 燃料核发生聚变。) “国家点火装置”拥有192具世界上最强大的激光器,在极短的时间内向“燃料球”发射激光。以往的实验中“点火”反应后释放的能量还不及激光器输入的能量,但这一次首次实现了释放能量大于消耗的燃料。人类向掌握可控核聚变迈出了重要一步。 【什么是可控核聚变?】 两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量,这就是核聚变。一公斤的核聚变燃料释放出的能量相当于1000万公斤化石燃料,太阳使用的就是核聚变的能量。 (太阳每秒有6.2亿吨氢发生核聚变,当然,这是不可控的,你没法像调节火锅那样调节太阳的火力) 而可控核聚变是指可以控制核聚变的开启和停止,以及随时可以对核聚变的反应速度进行控制,实现持续、平稳的能量输出。然后,利用核聚变产生的热量将水烧开,并利用烧开的蒸汽推动轮机发电,就是可控核聚变发电的基本模型。 (可控核聚变可以将人类带往未来,而失控的氢弹却有让文明报销的危险) 核聚变被认为是未来人类使用的先进能源之一,在许多科幻作品中都提到了可控的核聚变,如果我们能实现对核聚变过程的精密控制,就可能为全世界提供廉价的能源。可控核聚变与目前的核裂变发电站相比,具有原料储量大、过程及其产物均无污染、不会造成核泄漏等优点。 (可控核聚变发电站原理图) 【可控核聚变难在哪里?】 可控核聚变虽好,但却不容易实现。相比于核裂变过程来讲,核聚变最麻烦的是需要瞬间上亿度的高温才能引起核聚变反应,而如此高的温度是用传统加热方法所无法达到的。人类研制氢弹时的解决方法是:用核弹引爆氢弹。同时,上亿度的物质足够烧毁任何与其相接触的东西,又是一大麻烦。 (中国的托卡马克“EAST”是国人最熟悉的可控核聚变实验装置) 如果将可控核聚变比作一块用来烧水的蜂窝煤,那么其难点有两个:1、怎样把火点着?2、怎么不把烧水的锅烧穿?并且,要是用炉子烧水时,点燃炉子消耗的能量反而要多于烧炉子释放的能量,就得不偿失了。而本次“国家点火装置”取得的进步,就是终于使得炉子燃烧释放的能量超过了点燃炉子消耗的能量。 【可控核聚变的两种主要思路】 (“国家点火装置”的“燃料球”) 第一种思路以上文提过的“国家点火装置”为代表,叫做“惯性约束聚变” (Inertial confinement fusion)。它的作法是,将多束高能量脉冲激光,在极短时间内同时照射在一个燃料球上。当激光照射在燃料的外层时,使燃料球的外层等离子体化,并产生爆裂。外层爆裂的反作用力会形成震波向内传播,造成内爆,压迫内部形成高压高温,造成自发性的燃烧,产生连锁反应,最终诱发核聚变反应。 简单理解,就是聚变燃料像一个皮球一样受到四面八方均匀积压,最终被挤爆发生了核聚变。 (为“国家点火装置”的激光器提供电能的电缆超过160公里) 中国的“神光”系列与美国的“国家点火装置”原理相同,但“国家点火装置”拥有192个激光器,而“神光3号”仅有32个。同时,法国和日本等国也有类似装置。 (央视报道“神光3号”截图) 第二种思路叫做磁约束聚变 (Inertial confinement fusion),它的作法是,先加热燃料,使它成为等离子体形态,再利用磁场,拘束住高热等离子体中的带电粒子,使它进行螺线运动,进一步加热等离子体,直到产生核聚变反应。 (托卡马克原理图) 目前可以使用托卡马克 (tokamak)技术来达成磁约束聚变,其中以国际热核聚变实验反应堆 (International Thermonuclear Experimental Reactor)为代表。中国的超导托卡马克“EAST”和球形托卡马克“SUNIST”也是此类装置。 (中国“EAST”超导托卡马克实验装置结构示意图)
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