核聚变创造人工太阳人类或将进入“核能文明”

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2018-07-0323:58:42
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核聚变创造人工太阳人类或将进入“核能文明”

近期,美国麻省理工学院的科学家们设计出了一款小型核聚变反应堆,并称:这一技术可以在10年内投入商用,为人类提供取之不尽的清洁能源。在继续介绍麻省理工学院的核聚变反应堆,以及全球其他同类型研究之前,我们先来了解一下核聚变。提到“核聚变”,相信,大多数人会联想到核电站和原子弹。其实,核聚变与这两者有着本质上的区别。因为,核电站和原子弹的能量来源是核裂变。核裂变是指原子核,通常指金属铀和钚的原子核,分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。而核聚变,则是指质量较小的原子,主要是指氘或氚,在超高温、高压的作用下,两个原子核碰撞到一起,发生聚合作用,生成新的质量较重的原子核,如:氦。同时,之前被原子核所束缚住的电子和中子,在这个过程中,就被释放出来。这个释放过程,就是能量的释放,就是核聚变。由此,大家可以看出,核聚变其实是与核裂变相反的核反应形式。我们每天看到的太阳,其内部就在连续不断进行着氢聚变成氦的过程,我们感受到的光和热,就是核聚变产生的。相比核裂变,核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题,同时比核裂变所释放的能量更大,而且其原料可直接取自海水中的氘,来源几乎取之不尽。据悉,每1升海水中含有30毫克的氘,而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。由此可见,核聚变是理想的能源方式。人类关于核聚变的研究,最早是从1932年开始,当时,澳洲科学家马克·欧力峰发现了核聚变程序,随后,他又在1950年代早期,在澳洲国立大学成立了等离子体核聚变研究机构。目前,人类已经实现了核聚变,如氢弹的爆炸,但那是不可控的核聚变。人类如果想要将核聚变的能量真正利用起来,就必须对核聚变的速度和规模进行控制,并将能量持续、平稳的输出。而产生可控核聚变的条件非常苛刻。以太阳为例,其核心温度高达1500万摄氏度,另外还有巨大的压力才能产生核聚变。但地球上没有办法获得如此大的压力,只能通过提高温度来弥补,并且,温度必须要达到上亿度才行。因此,人们通常又将核聚变装置称为“人造太阳”。由于地球上没有任何一种固体物质能够承受上亿度的高温,因此,目前科学界主要通过两种方式来实现,一种方式,是惯性约束核聚变,或称为激光约束核聚变,如我国的神光计划和美国的国家点火计划就是采用的这种形式。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发。而受它的反作用,球面内层就像喷气式飞机往后喷而推动飞机往前飞一样,会向内挤压,小球内的气体受压后压力升高,同时温度也会急剧升高。当温度达到所需要的点火温度,即上亿温度时,小球内气体便发生核聚变爆炸,并产生大量热能。这个爆炸过程时间极短,只有几万亿分之一秒。如果,这个过程能够连续不断地进行下去,就会形成可控的核聚变。另外一种核聚变方式是磁约束核聚变,这种方式,目前被认为是最有前途的。当前在法国正在兴建的国际热核聚变实验堆即是采用这种方式。磁约束核聚变装置又被称为托卡马克装置,最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代所发明。该装置的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候,托卡马克装置的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。核聚变创造人工太阳人类或将进入“核能文明” 核能 第1张-泥人传说此次,美国麻省理工学院所研发设计的核聚变反应堆,名为ARC,即是采用磁约束方式。不过,它的反应堆半径只有国际热核聚变实验堆的一半,建设成本也不及其一半,建设时间也将快很多。而麻省理工学院的ARC之所以能达到如此效果,原因是因为它采用了一种可进行商业化生产的新型超导体,名叫稀土钡铜氧化物的超导材料。使用它,能使磁场强度几乎翻倍,并使核聚变所释放的能量提高达一个数量级的水平。研究人员指出:ARC反应堆几乎完全基于经过验证的现有技术而设计,最终实际的ARC反应堆或将在5年内完成。我国的惯性约束核聚变反应堆,神光-Ⅲ主机装置,是世界第二大激光装置,其主机目前已经在中国工程物理研究院基本完成建设。中国也成为继美国国家点火装置后,第二个开展激光惯性约束核聚变实验研究的国家。与中国的神光-Ⅲ主机装置采用相同核聚变模式的美国国家点火装置,是世界上最大的激光聚变装置,理论上,它可以将200万焦耳的能量通过192条激光束聚焦到一个很小的点上,从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。但在最新的一次实验里,输入的150万焦耳的能量,仅产生了1.7万焦耳的能量。由此可见,可控核聚变还有很长的路要走。与美国和中国的两个采用激光约束方式的核聚变装置不同的是,国际热核聚变实验堆计划,简称:ITER计划,则采用的是目前看来最有前途的磁约束核聚变方式。同时,该计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。ITER计划于1985年倡议发起,经过16年努力,其工程设计方案于2001年完成。此后,又经过五年谈判,ITER计划的七方:美国、欧盟、中国、俄罗斯、印度、日本和韩国,于2006年正式签署联合协议,正式启动ITER计划的实施。核聚变创造人工太阳人类或将进入“核能文明” 核能 第2张-泥人传说预计,ITER计划将历时35年完成,其中,建造阶段10年,运行和开发利用阶段20年,去活化阶段5年。ITER计划是以解决人类未来能源问题为目标、仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。世界上第一个热核聚变实验堆目前正在法国建造。此外,美国老牌军工巨头洛克希德马丁公司在去年10月宣布,其已在开发一种基于核聚变技术的能源方面取得技术突破,第一个小至可安装在卡车后端的小型反应堆有望在十年内诞生。从长远来看,核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源,人类将从“石油文明”走向“核能文明”。核能将是人类最终解决社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径。尽管目前实现可控核聚变仍有漫长艰难的路程需要我们征服,但其美好前景的巨大诱惑力,正吸引着各国科学家在奋力攀登。据估计,2025年,核聚变发电厂将很有可能投入商业运营。2050年前后,可控核聚变发电或将广泛造福于人类社会。

Massachusetts Institute of Technology

麻省理工学院

麻省理工学院于1861年在美国成立,是一家研究型私立大学,创始人为威廉·巴顿·罗杰斯。现任校长为L.拉斐尔·莱夫。

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