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人造太阳倒计时:科学家的“造星运动”

2016-01-02 00:02
论恒
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  全世界科学家都在等待那一刻。上百条高强激光束同时“开箭”,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。

  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。

W7-x仿星器

  这个身价10亿欧元的“高富帅”能耐得住1.5亿摄氏度高温

  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。

  它高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氢弹也爆炸了。

  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。

  而从不可控的氢弹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。

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