未来能源——激光核聚变是否会一场空?
不管怎样,ITER能够检验核聚变是否可行,但它不能证明核聚变是否能商业化运行。而我们有很多理由说明后者的不可行,最简单的理由就是聚变过程中的辐射强度非常高,能损坏像钢这样的普通物质,因此核聚变电站需要采用一些目前还没有的新材料,才能抵挡等离子体长达数年的轰击,不然反应堆就需要经常停机检修。再者,燃料氚的来源也成问题,发电站必须自行制备,比如利用反应堆本身的核反应过程来制造氚。
有人认为,建造一台基于ITER技术的反应堆,最大的障碍在于该装置极端的复杂性。那些特殊的加热系统和自制部件可能在实验中运行良好,但作为电站需要的是简单、易维护,英国原子能管理局负责人史蒂夫· 考利说:“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。” 因此,在并网发电之前,还必须建造第二代的验证性反应堆,不用说,同样造价不菲。考虑到目前ITER跌跌撞撞的前进脚步,在本世纪中叶之前,估计什么也运行不起来。
核聚变的发展史:从等离子约束到激光点火
真正意义上的核聚变研究已经走过了数十年历史,期间科学家提出了多种方法来控制核聚变。但其实关于核聚变的讨论可以追溯到更早以前。早在19世纪60年代,核聚变就已经成为科学家经常争论的话题。但当时人类对核聚变,甚至对物质本质的了解都少之又少。再过了大约70年,到了20世纪30年代,科学家知道所有物质都由原子构成,这些原子都拥有一个由带正电的质子和中性的中子组成的原子核(氢是唯一一个特例,它的原子核只有一个质子,没有中子)。这些知识为日后核聚变的研究奠定了很好基础。
1938年,物理学家汉斯·贝特意识到,太阳中心的压强必定非常巨大,足以克服通常情况下会让带有同种电荷的离子相互分离的排斥力,而把一个个氢原子核挤压在一起,并发生反应,释放巨大能量。贝特写出了氢离子聚变的4步链式反应。反应最终产物的质量略低于反应前各成分质量的总和,“消失”的质量转换成能量(根据爱因斯坦的E=mc2公式)提供给太阳。
虽然从理论上讲,一加仑(3.8升)重水(氧化氘)能够产生的核聚变能量与一艘超级油轮载满的石油相当,而且反应后的剩余物质仅是少量氦气,但事实却远非如此简单。20世纪50年代初,美国普林斯顿大学教授莱曼·斯皮策设计了“仿星器”,提出了聚变反应堆的第一种设计方案。根据斯皮策当时的估计,他的仿星器可以产生15万千瓦电力,足够15万户家庭使用。他的设计基于一个事实:在聚变所需的高温下,所有电子将从自己的原子中剥离出来,形成带电粒子“汤”,后被称为等离子体,可以用磁场约束。斯皮策的仿星器本质上就是一个可以约束等离子体的磁瓶,哪怕等离子体被加热到了几百万摄氏度的高温。可惜,当时斯皮策以及和他一起研究的科学家未能完全了解等离子体,而且等离子体十分不好掌控。
在同一年代,即1950年,苏联科学家安德烈·萨哈罗夫设计了托卡马克用来约束等离子体。到了1969年,西方科学家前往莫斯科研究萨哈罗夫设计的托卡马克。他们发现它产生的等离子体比仿星器温度更高、密度更大。从此托卡马克开始成为约束核聚变研究的主流。控制核聚变产生的高能量等离子,并让其为己所用便成为了人类研究核聚变的最早方法。在此后的60年里,科学家努力用越来越强大的磁瓶去驯服等离子体。每次物理学家提出一个改进装置去前出现的问题,都会在更高的能量状态下遇到各式各样的新问题。美国阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室核聚变项目前主管、美国ITER技术咨询委员会现任主席查尔斯·贝克说:“无论你对它们做什么,等离子体总是会有一点不稳定。”
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