受控核聚變,永不枯竭的新能源

核技術 能源 物理 天文 星空天文 2017-04-19

把太陽搬回家。

受控核聚變,永不枯竭的新能源

美國國家點火裝置的前置放大器,負責增強進入目標反應室激光的能量。該裝置每進行一次試驗的耗電量,相當於美國全國瞬間耗電總量的1000倍。Damien Jemison

人類目前廣泛使用的能源有化石能源和可再生能源。前者如煤炭、石油和天然氣;後者如風力、太陽能發電和水力。化石能源總量無疑是有限的,用一點少一點,而且這些東西不純淨,在燃燒過程中會對大氣、水源和土壤造成嚴重的汙染;可再生能源雖然總體上看起來比較“乾淨”,卻也有不連續的缺點,它們對環境也有影響,比如建造水壩會破壞生態,製造太陽能電板會對環境造成汙染。

所以這兩種能源都不能算“綠色”。那麼,核能怎麼樣?

核能在公眾的印象中有消極的一面。這種負面印象一方面來自核武器,另一方面來自核電站遭到破壞後給環境造成的嚴重汙染——比如切爾諾貝利和日本福島。核電廠還會產生具有極強放射性的廢料。所以人們談核色變。

但是實際上,人類目前對核能的利用,還只停留在核裂變的層次上。核能中還有另一種更強大的形式——核聚變能。

太陽為什麼會發光、發熱?因為它的核心正在進行著核聚變。在極高的溫度和壓力下,氫核會通過一連串的聚變反應形成氦核。太陽內部的核聚變是在自然狀態下進行的。太陽之所以能夠保持相對穩定的球形外觀,主要原因也是核聚變會產生巨大的輻射能,進而產生強大的輻射壓,抵消太陽自身質量產生的引力,使其不致被自己壓垮。大質量恆星死亡時之所以會發生猛烈的超新星爆發,就是因為燃料耗盡,聚變終止,引力失控。

核聚變在太空中極為常見,每一顆恆星就是一個天然的核聚變反應堆。但強大的聚變能人類至今還沒有能力加以利用。聚變能具有非常多的優點。假如有一天我們在地球上製造出了受控聚變反應堆,那麼就將獲得永不枯竭的清潔能源。

核裂變所需的燃料具有非常強的放射性,它們大多是一些重元素,比如釷、鈾和鈈,這些元素衰變後產生的廢料仍然具有極強的放射性。核聚變所需的燃料則不然,它們是一些非常穩定的輕元素,比如氫、氦和鋰的一些同位素。聚變的最終產物是氦、鋰、鈹和硼,同樣不具有放射性。

從技術上來講,無論是受控(核電)還是不受控(核彈),核裂變相對要容易一些。而受控核聚變則困難得多。為了能夠成功地進行受控核聚變,科學家付出了長期不懈的努力。

受控核聚變,永不枯竭的新能源

核聚變反應堆中的等離子體溫度極高,以致於它不再發光。只有靠近反應堆壁的等離子體由於溫度較低才能夠被看到。韓國聚變研究所

目前,受控核聚變試驗主要有四種方式。

一是“慣性約束核聚變”。“慣性約束核聚變”利用激光對氫燃料丸進行壓縮,在其內部引發受控核聚變。二是“磁約束核聚變”。這種方式用電磁力替代了經典力,來壓縮超高溫等離子體。第三種是“磁化標靶核聚變”。它是用磁場來約束超高溫等離子體,並用活塞對其進行壓縮,引發受控核聚變。第四種是“次臨界核聚變”,用一種不致熔燬的次臨界核裂變,來替代高溫和慣性,引發受控核聚變。

前兩種核聚變試驗方式的研究由來已久,或許在不久的將來,就將獲得突破性進展。而後兩種,尤其是最後一種,是近年才出現的。

如何獲得取一種清潔的、可長期獲得的新能源,以取代終將耗盡的化石能源,是擺在全人類面前的一個非常迫切的問題。而受控核聚變,無疑是解決這個問題的一個切實際可行的方案。

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