核聚变能的继续开发

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核聚变能的继续开发

  一说起核聚变,大家会认为那似乎是遥远的未来才能用上的资源。实际上,太阳和其他恒星上时时刻刻都在进行着核聚变反应,太阳能本质上就是太阳的核聚变能中被太阳光送到地球上的那一部分。煤炭、石油、天然气等化石能源本质上是古生物以特殊形式储存起来的太阳能(也就是核聚变能)。水力发电之所以能利用源源不绝地从高处向低处流的水能,归根结底是太阳能把低处的水蒸发,以雨、雪的形式落在高处造成的。风力、波浪、海洋热能等等也都是太阳能的转化形式。所以,除了核聚变能是铀等裂变物质固有的、地热能是地球固有的、潮汐能主要是由太阳和月球的引力造成的以外,其他的能源几乎都来自太阳的核聚变能。

  自从1952年美国试验成功第一颗氢弹(我国第一颗氢弹于1967年试验成功)以来,人类开始直接利用聚变能。氢弹爆炸是氘和氚的热核聚变反应,它的巨大能量在一瞬间释放出来,不可控制,只能当做炸弹作破坏之用而无法和平利用。要想使聚变能持续受控地释放出来并转换成电能或其他形式的能量,可就不容易了。人们努力了40年之久,至今受控核聚变仍未实现,仍然是可望而不可及。

  可是,科学家们并没有认输,他们仍在继续努力。因为他们知道,只有受控核聚变才是人类取之不尽、用之不竭的既安全又清洁的能源,只有受控核聚变才能让人类一劳永逸地彻底摆脱能源危机的困扰。

  受控核聚变消耗的是氘和氚。其中氘是天然存在的,每升海水中含有0.03克氘,地球的海洋里共含45万亿吨氘,所以氘是取之不尽、用之不竭的。氚可以用储量丰富的锂在反应堆中生成。氘和氚将作为第一代聚变反应堆燃料。氘—氘将作为第二代聚变反应堆燃料,它不用较麻烦的氚,只用氘就行了,但它的点火条件比氘—氚燃料还要高些。将来的受控核聚变反应堆会比现在的核裂变反应堆安全得多,因为核聚变反应堆不会产生大量强放射性物质,而且核聚变燃料用量极少,每秒钟只须投入1克;停止投入燃料,核聚变反应堆就能迅速关闭,不致发生重大事故。

  核聚变反应堆的真正问题不在于关闭,而在于它太难启动了。要实现受控核聚变反应,必要的条件是:要把氘和氚加热到几亿度的超高温等离子体状态,这种离子体粒子密度要达到每立方厘米100万亿个,要使能量约束时间达到1秒钟以上。这也就是核聚变反应点火条件,此后只须补充燃料(每秒钟补充约1克),核聚变反应就能继续下去。

  无论什么样的容器都经受不起这样的超高温,所以,受控核聚变的关键技术在于用磁场把高温等离子体箍缩在真空容器中平缓地进行核聚变反应。但是高温等离子体就像一匹烈马,很难约束得住,被箍缩的高温等离子体很难保持稳定,它应是均匀的柱状,但它细的地方会变得很细,像香肠一样,最后会这里断开,有时会变得弯曲,像香蕉一样,最终触及器壁。人们研究得较多的是一种叫做托卡马克的环形核聚变反应堆装置,但它至今不能连续运转。所以,托卡马克有无前途,人们还在争论。

  另一种方法是惯性约束,即用强功率驱动器(激光、电子或离子束)把燃料微粒高度压缩加热,实现一系列微型核爆炸,然后把产生的能量取出来。惯性约束不需要外磁场。系统比较简单,但这种方法还有一系列技术难题有待解决。

  总之,未来的受控核聚变反应堆将是包括了复杂的供电系统、大型超真空系统、加料系统、大容量制冷系统、氚处理系统、遥控操作系统等系统的极复杂的高技术装置。再进一步,将是聚变—裂变混合反应堆。它的中心是聚变反应堆芯,其周围是天然铀组成的包层,包层可以被转换成裂变材料,起到燃料增殖作用,与裂变反应堆相匹配,大大提高铀资源的利用率。当然,它的结构必定复杂得多,实现起来在技术和工程上难度非常大。

  最近,有些科学家声称实现了室温核聚变,但没有得到广泛承认。如果真能实现室温核聚变,当然是一件莫大的好事,不过,不少科学家怀疑它究竟能否真正实现。

  受控核聚变是人类面临的头号技术难题,美国、俄罗斯、日本和西欧各国准备加强国际合作,联合攻关,力争在下世纪初期,通过共同努力,建成世界第一个能持续运转的受控核聚变反应堆,把“人造太阳”的梦想最终变成现实!