受控核聚變 曙光初現(xiàn)

人類文明的不斷進(jìn)步導(dǎo)致能源消耗的急劇增長(zhǎng)，世界性的能源危機(jī)令人觸目驚心，經(jīng)科學(xué)預(yù)測(cè)，目前地球上的礦物能源將在幾十至幾百年內(nèi)枯竭，開發(fā)新能源已經(jīng)刻不容緩。利用受控核聚變反應(yīng)來(lái)發(fā)電是最具前景的能源之一。

通常，氫的同位素氘和氚在高溫條件下會(huì)形成更重的元素氦，并釋放出大量能量，太陽(yáng)和其他恒星就是靠這種核聚變產(chǎn)生巨大能量。

受控核聚變之所以受到科學(xué)家重視，是因?yàn)樗哂心芰酷尫糯?，?shí)驗(yàn)資源豐富，成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，尤其可取的是符合新世紀(jì)的環(huán)保要求，反應(yīng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生放射性廢料，而目前核電站產(chǎn)生的大量放射性廢料，至今無(wú)法妥善處理。因此，人們對(duì)它給予了極大的關(guān)注。

所謂核聚變最直觀的體現(xiàn)是上個(gè)世紀(jì)50年代初美國(guó)實(shí)驗(yàn)成功的氫彈爆炸，而對(duì)這種巨大能量釋放的有效控制至今尚未見到成功的例子。

核聚變反應(yīng)有如人造太陽(yáng)，因?yàn)樗脑韥?lái)自于太陽(yáng)內(nèi)部產(chǎn)生巨大能量的過(guò)程。人為地制造這一反應(yīng)過(guò)程，將它的能量轉(zhuǎn)換為電力，就是受控核聚變發(fā)電。人類圍繞這一和平利用開展的研究，一直沒有停止過(guò)。

人類大規(guī)模獲取核聚變能是通過(guò)氫彈爆炸來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，這種反應(yīng)是不可控制的，僅限于作為殘忍的戰(zhàn)爭(zhēng)手段使用。要把聚變反應(yīng)的過(guò)程控制起來(lái)，讓它按人類的和平愿望穩(wěn)定地釋放出聚變能，條件極其苛刻：其一，至少要把核聚變?nèi)剂霞訜岬綆浊f(wàn)攝氏度以上，電離成運(yùn)動(dòng)極為活躍的等離子體；其二，等離子體密度至少要達(dá)到每立方厘米100萬(wàn)億個(gè)以上；其三，這樣的等離子體存在時(shí)間至少要持續(xù)1秒鐘，才能使反應(yīng)粒子充分碰撞，從而引起聚變反應(yīng)。

要了解核聚變反應(yīng)速度控制的難度，首先要從聚變的原理說(shuō)起。實(shí)驗(yàn)開始，先把核聚變的原料氘或氚加熱至高溫高壓的等離子狀態(tài)，同時(shí)，利用一個(gè)外加磁場(chǎng)將這一團(tuán)等離子體約束在一定空間范圍內(nèi)，不讓它們四處飛散或者與容器壁發(fā)生碰撞。然后再加熱，直至最終達(dá)到核聚變反應(yīng)的條件。

這時(shí)，只要有足夠的核原料陸續(xù)投入，核聚變就能持續(xù)進(jìn)行，而且保證能量的逐漸釋放。

在這一過(guò)程中，對(duì)核燃料的加熱和約束是控制過(guò)程的關(guān)鍵。但是外加磁場(chǎng)約束，有它的不足之處，以往的核聚變點(diǎn)火通常是把相當(dāng)于一個(gè)普通游泳池那么多的氚燃料約束在磁場(chǎng)中，一直加熱到很高的溫度。

那些高速運(yùn)動(dòng)中的粒子撞到容器壁上，就會(huì)影響核聚變反應(yīng)的正常進(jìn)行，更有甚者，由于它們溫度極高，還有可能燒毀儀器。

前不久，日本大阪大學(xué)激光核聚變研究中心與英國(guó)盧瑟福研究所利用共同開發(fā)的世界最大功率激光器成功進(jìn)行了一次核聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，瞬間的輸出功率相當(dāng)于世界電站總數(shù)的幾百倍，效率比以往的實(shí)驗(yàn)提高了1000倍。這種新方法首先用激光照射?？盏娜剂习型?，使其爆聚為比普通固體密度大100倍的高密度物質(zhì)，產(chǎn)生可作為燃料使用的等離子體。然后，再讓超強(qiáng)功率激光通過(guò)一個(gè)金質(zhì)的錐形筒，聚射到直徑只有0．5毫米的燃料靶丸上，將這些超高密度的核燃料在十億分之一秒內(nèi)加熱到1千萬(wàn)攝氏度以上，從而引發(fā)聚變反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)提高激光功率使反應(yīng)達(dá)到了連續(xù)點(diǎn)火燃燒狀態(tài)，為核聚變用于發(fā)電鋪平了道路。原子核相互碰撞引發(fā)核聚變反應(yīng)，使用的燃料是氘和氚，但是必須在高溫高壓環(huán)境下對(duì)其約束，在這一點(diǎn)上，這種激光核聚變格外引人注目。

日本和英國(guó)共同完成的這一實(shí)驗(yàn)，利用超強(qiáng)功率激光從多角度把燃料爆聚成燃料靶丸，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步高溫、高壓引起核聚變反應(yīng)。專家們分兩個(gè)階段壓縮、加熱燃料，稱其為高速點(diǎn)火方式。

將來(lái)用于發(fā)電時(shí)，爆聚、燃燒可反復(fù)進(jìn)行，逐漸釋放能量。原子核之間相互碰撞引發(fā)核聚變，能量以中子方式發(fā)生。這些中子被液態(tài)的鉛鋁合金吸收，經(jīng)換熱器產(chǎn)生蒸氣，送往汽輪機(jī)用于發(fā)電。反應(yīng)過(guò)程中，爐內(nèi)的燃料靶丸連續(xù)受激光照射，核聚變不會(huì)中斷。

為了充分吸收這些中子，爐內(nèi)壁有液體鉛鋁合金流動(dòng)。與以往的外加磁場(chǎng)約束方式相比，激光方式所用的爐體構(gòu)造簡(jiǎn)單，大幅節(jié)省空間，更便于交通工具等小型設(shè)施上的應(yīng)用。歐美核能機(jī)構(gòu)對(duì)這一方式給予極大關(guān)注，準(zhǔn)備將其引用到受控核聚變的大型實(shí)驗(yàn)中去。 不過(guò)激光方式也并非十全十、美，實(shí)用化前同樣面臨幾個(gè)需要迫切解決的問題。

首先，靠激光照射為連續(xù)反應(yīng)提供熱量，不得不對(duì)高溫采取相應(yīng)對(duì)策，另外、燃料靶丸體積微小，照射它的激光束必須達(dá)到相當(dāng)高的精度，而且發(fā)光效率也有待進(jìn)一步提高，需要透光性更好的鏡頭。

今年2月，國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆計(jì)劃的成員國(guó)在俄羅斯圣彼得堡做出決定，將于2013年以前建成世界第一座熱核反應(yīng)堆，地點(diǎn)將在西班牙、法國(guó)、加拿大和日本4個(gè)國(guó)家之間做出選擇。

工程計(jì)劃于2006年動(dòng)工，總造價(jià)40億美元，是繼國(guó)際空間站之后最大的國(guó)際科學(xué)合作項(xiàng)目。