- 科幻世界(2019年8月)
- 《科幻世界》杂志社
- 3字
- 2020-06-25 04:38:02
SCIENCE 科学
核聚变——托起明天的太阳
1 未来能源
自人类直立行走、使用工具时起,直至今日,对能源的使用方式几乎没有实质性的变化。无论是钻木取火,还是燃烧煤炭,再到近代的石油、天然气的大规模开采和深度利用,都是通过破坏燃料的化学键来获得能量。例如:煤炭里的碳元素经过燃烧之后,虽然生成大量二氧化碳,但碳元素本身并没有改变。
直到到科学家发现了核能,才真正打开了高效利用物质能源之门。与化学能不同,核能直接“破坏”的是原子核内部构成,从而获得巨大的能量,将一种元素转变为另一种元素。相比化学能,核能释放的能量要超其上百万倍。
获取核能的方式一般有三种:
1、核裂变:较重的原子核分裂成较轻的原子核。
2、核衰变:不稳定的原子核放射粒子产生能量。
3、核聚变:较轻的原子核聚合成较重的原子核释放能量。
在一直无私奉献光和热的太阳内部,已经进行了40多亿年的核聚变。如果人类未来掌握了核聚变技术,就相当于在人类的手中,托起了明天的太阳。
核聚变示意图(氘氚聚变成氦和能量)
——相比其他能源供应方式,核聚变究竟有什么特殊的魅力,才能被众多研究者奉为未来能源呢?
首先,核聚变发电拥有其他发电方式无可比拟的“量大质少”的优点。
以一百万千瓦的电站每年所需燃料来做比较,传统的热电厂需要大约200万吨优质煤,需要33000个火车皮来运输;燃油电厂则需要130万吨燃油,约为1000万桶;核裂变电厂需要约为30吨核原料,几辆卡车就可以运输;而核聚变电厂仅仅需要燃料氘0.6吨,一辆小皮卡的运力足以供应。
其次,核聚变所需的燃料储备巨大。
根据已探明的石油储量,化石燃料再开采几十年就会开始枯竭。而核裂变发电所需原料铀在陆地上的储量并不丰富,且分布不均,还被少数国家把持着。估计全球适用于开采的铀矿仅100万吨左右。但核聚变使用的燃料之一的氘储量巨大。每升海水中含量有约0.03克氘,可产生相当于300升汽油产生的能量。而全球海洋约为13.8亿立方公里,因此氘的储量非常巨大。以现在全球每年消耗能源来计算,足够全人类使用数万年以上。
除此之外,核聚变还很环保,反应过程完全没有二氧化碳排放,更没有放射性或者放射性废物排出。
例如,使用氦-3的核聚变热核反应堆只会产生没有放射性的质子,因此使用氦-3作为能源时不会产生辐射,不会为环境带来危害。而科学家发现月球上储有大量的氦-3,总计超过100万吨,按照现在全球能源消耗总量计算,也足可以支撑人类使用数万年。这为在月球建造基地,探索更遥远的太空打下了基础。
2 聚变之路
核聚变是通过两个较轻的原子核合成一个较重的原子核,并在这一过程中释放大量的能量。目前实现核聚变反应的必要条件是将核聚变“燃料”不断加压加热,直至开始反应。
虽然说起来很简单,但实际操作起来要困难得多。
科学家起初并没有发现核聚变反应,是因为在一般条件下氘核与氚核的混合态不会产生持续的核聚变。原子核由中子和质子组成,这些家伙能够“和平相处”是由于非常强大的核力将之“控制”在一起,在极为狭小的区域形成原子核。为了打破这一平衡,需要将核子之间的距离压到小于0.00000000001毫米——在太阳内部的高温高压条件下,原子核之间的各种粒子的平衡被打破,氢原子核聚变成氦原子,并释放出巨大的能量,所以太阳是人类最早认识、距离地球最近、规模最大的核聚变反应装置。
然而,在地球上我们要如何完成这一过程?
科学家想到的第一个办法是氢弹——利用原子弹核爆产生的数千万度的高温和上亿倍的大气压强,迫使核聚变的燃料被“点燃”,释放出巨大的能量。
氢弹的能量释放剧烈程度远超人类的想象和掌控,根本无法平和利用。想要在地球表面仅有一个大气压强且常温的环境下“启动”核聚变是一件相当困难的事情。
但科学家们并未放弃。
3 约束太阳
在《钢铁侠》电影中,托尼·史塔克胸口的方舟反应堆(Arc Reactor)就是核聚变反应堆。但是在现实世界中,这暂时仍是不可实现的幻想。
想要控制、使用核聚变这种未来能源,必须对核聚变的过程进行约束,使释放能量的过程不那么剧烈。一般做法是将“点燃”的核聚变燃料封闭在一定的空间内,使用磁约束或者惯性约束方式控制核聚变的整个过程。
首先,要把核聚变燃料(例如氘和氚的混合物)变成“等离子体”。这需要对燃料进行升温操作,加热、加热、再加热,热到足以使原子核和电子分开,变成“一锅等离子体汤”。此时仅仅是得到的带正电的原子核,它们彼此之间始终是排斥的,让它们能相互接近到足以开始聚变是一件极其困难的事情。所以必须继续加热、加压,使原子核剧烈转动,温度升高,密度变大,封闭的时间越长,彼此接近的机会越大,直到开始反应。
等离子体磁约束原理
其次,要对等离子体进行约束。一是因为高温高压状态下的等离子体会很快“四散奔逃”,所以这一过程必须在封闭空间内进行。二是普通的“锅”承受不了“汤”的温度。等离子体的温度会被升到千万甚至上亿摄氏度,人类已知的任何容器都无法“盛放”这些滚烫的“等离子汤”。在太阳内部,这就不算事儿了,自有巨大的引力将等离子体约束在内部,不怕“泄漏”。由此,科学家开发出两种思路,一种是磁约束,另一种是惯性约束。
磁约束顾名思义,由于等离子体带电,只要制造出足够强大的磁场,等离子体就会被“吸”在人为制造出来的磁线上,达到将等离子体约束在一定的空间内的目的,然后抽真空阻止热量外泄,如此可以避免这些超热的“汤”烧透“锅底”。
实现磁性约束核聚变的科学实验仪器中,最著名的是“托卡马克”装置,大部分国家目前研究使用的就是这个装置。虽然从原理上来说这一装置还算靠谱、安全,但也有致命缺点。托卡马克装置需要庞大的配套设备,例如加热设备、发电设备,加上本身体积庞大,使得投入变得十分惊人,每个装置的成本都异常高昂。
惯性约束法的代表,美国激光型号核聚变装置——国家点火装置靶室内部,周边的大洞就是激光入射口
另一种约束等离子体的方法是惯性约束法。它的另一个名字是脉冲性聚变——首先将几毫克的氘和氚的混合物放置进直径几毫米的小球内。然后使用高能激光束或者粒子束射击,由于球面吸收了能量、开始像火箭尾焰一般向外蒸发,受到其反作用力,球面内层开始向内冲击,球体内部的燃料受到挤压,压力快速升高,温度也急剧飙升。
当温度达到足以产生核聚变的点火温度时,小球就会爆炸,并释放出巨大的热能。因为燃料剂量很小,爆炸的级别也便于控制,时间也很短,只有几万亿分之一秒。如果在一定的时间内、将这样的爆炸持续进行下去,所释放的热量就有机会顺利导出用于发电。
在这一方案中,不再需要托卡马克装置的巨大磁约束装备,但仍然要安装高能激光和粒子束发生器,占地面积也不会小。
到目前为止,小型的、可实用的聚变核反应堆还只是嵌在钢铁侠胸口的幻象,可控的核聚变道路仍然漫长。
4 可控核聚变50年魔咒
以现在的技术来说,别说制作出钢铁侠胸口的方舟反应堆,就连实现持续、可控的核聚变反应都难如登天。
之前提到的托卡马克装置,从20世纪70年代开始就逐渐显现出独特的优越性,自80年代起,各国、组织陆续将其上马,托卡马克反应堆成为了研究核聚变的主要途径。而中国也已经陆续建成了相关装置,并进行了实验。例如在2006年建成的“东方超环”EAST,已经实现了大于400秒的超高温约束等离子体运行。
“东方超环”EAST
由于可控核聚变的研究过于缓慢,名为国际热核聚变实验反应堆ITER( International Thermonuclear Experimental Reactor) 的托卡马克装置开始被提上议程。这个国际合作组织成立于2007年,由七个成员实体资助和运行,包括欧盟、印度、日本、中国、俄罗斯、韩国和美国。项目预期将持续30年,其中10年用于建设, 20年用于运行,耗资超过百亿美元。ITER的科学目标是一次放电聚变燃烧维持时间400 ~3000秒,离子体中心温度将达到1亿~2亿度。
但自上世纪50年代提出可控核聚变发电以来,每逢有媒体问道相关的研究者何时能实现。听到的回答总是50年以后,这之后,一个又一个10年过去了,50年过去了,但仍然没有看到即将成功的迹象。
这是因为,所有的可控核聚变模型都有一个致命的缺点:输入的能量大于输出的能量。
无论是磁性约束还是脉冲核聚变,都需要超大的能量给燃料点火,托卡马克装置还需要配套的磁约束设施,额外的消耗的能量更多。但如果给核聚变点火付出的能量大于反应输出的能量,这项研究就失去了意义。
前几年曾有报道称:一些惯性约束实验——也就是使用激光给燃料球点火的实验——成功获得了超过输入能量的输出能量。我国的东方超环也曾经在实验过程中获得过此类数据。但仅仅是持平或者超过一点点并不能让核聚变发电得到实际应用,核聚变的得到的能量至少要比输入能量要高出10倍、甚至30倍才有可能最终推广发电。现在看来,距离这一目标还很遥远。
5 核聚变飞船
如果核聚变取得突破性的进展,就足以改变我们的世界,甚至还可以送我们到达更遥远的宇宙。
以现在的技术来说,磁约束的核聚变或许是核能发电的最优选择,但未必适用于火箭和宇宙飞船的推进。因为要想约束超高温的等离子体,必须安装一个强大的磁场,这需要巨大沉重的永久磁铁和电磁线圈,不适合从地球上发射至太空,至多只能在太空中直接建造。
核聚变发动机—巴萨德冲压发动机的想象图
位于美国的激光型核聚变装置NIF基础平面图
使用惯性约束的“小球连续爆炸式”核聚变发动机似乎更适合太空飞船,至少携带燃料要轻许多。不过这个方案同样有个问题,需要安装的高能激光器也实在不是一个小家伙,位于美国加州的激光型核聚变装置NIF占地足有三个足球场大,点火用的强激光的能量来源还需要更多的燃料才能实现。
无论是哪一种核聚变发动机,科学家现阶段面对的并不是理论难题,而是技术问题。或许在下个五十年,可控核聚变有可能真的获得突破,届时无论是火箭还是宇宙飞船,尺寸可以造得更大,人类和货物装得更多,飞得更快更远。
带上一个太阳,向着群星出发——我们确实可以期待一下这样的未来。
[责任编辑:迟卉]