“人造小太陽(yáng)”是怎樣煉成的

易鵬

自然界中最容易實(shí)現(xiàn)核聚變的地方是太陽(yáng)，因?yàn)樘?yáng)發(fā)光發(fā)熱的原理就是核聚變，而且已經(jīng)持續(xù)了50多億年。我們?yōu)榱死锰?yáng)核聚變產(chǎn)生的光和熱而發(fā)明了太陽(yáng)能電板、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能路燈和還未實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)能汽車(chē)等等，但這遠(yuǎn)不是利用核聚變能的終極手段。真正的開(kāi)始，應(yīng)該是人類(lèi)去操控核聚變過(guò)程，將核聚變這一不可控的過(guò)程變成可控的過(guò)程。那么，核聚變?nèi)绾尾拍軓牟豢煽刈優(yōu)榭煽啬兀?h3>核聚變?cè)鯓硬潘憧煽?/h3>

想必大家都聽(tīng)說(shuō)過(guò)“氫彈”，它的原理就是不可控的核聚變。那么，怎樣才算可控的核聚變呢？可控的核聚變就是我們可以控制核聚變的開(kāi)啟和停止，并且可以隨時(shí)控制核聚變的反應(yīng)速度。打個(gè)比方，同樣是火藥，我們可以利用其高能量瞬間爆發(fā)出的破壞性來(lái)制造炸彈，也可以摻點(diǎn)雜質(zhì)， 做成蜂窩煤，使其可以在煤爐里緩慢釋放能量，想讓它燒就燒，想讓它滅就滅，這個(gè)可控的秘訣就在蜂窩煤爐的爐門(mén)上。同理，將這個(gè)蜂窩煤爐的燃料換成核燃料，燒上開(kāi)水，讓開(kāi)水變成蒸汽去推動(dòng)輪機(jī)發(fā)電，這便是當(dāng)今核電站的基本原理雛形了。

因此，科學(xué)家們就希望發(fā)明一種可以有效控制“氫彈爆炸”過(guò)程的裝置，讓能量持續(xù)穩(wěn)定地輸出，實(shí)現(xiàn)“人造小太陽(yáng)”。

“人造小太陽(yáng)”為何難問(wèn)世

核聚變反應(yīng)的原理很簡(jiǎn)單，也很好理解：持續(xù)加熱反應(yīng)體，達(dá)到上億的溫度，使氚的原子核和氘的原子核以極快的速度運(yùn)行，赤裸裸地發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的氦核和新的中子，釋放出巨大的能量。一段時(shí)間后，核聚變的溫度足夠讓原子核繼續(xù)發(fā)生聚變，實(shí)現(xiàn)“自給自足”。只要能及時(shí)排除氦原子核和中子，在反應(yīng)體中輸入新的氚和氘的混合氣，核聚變就能持續(xù)下去，產(chǎn)生的能量一小部分留在反應(yīng)體內(nèi)維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其余部分則可以輸出，作為能源來(lái)使用。

托卡馬克裝置

仿星器

環(huán)形球

看起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，但這里涉及到2個(gè)問(wèn)題：

1.怎樣將核聚變的原料加熱到上億攝氏度去點(diǎn)

燃爐子里面的燃料？

2.用什么容器來(lái)盛放上億攝氏度的核聚變?cè)希?/blockquote>

20世紀(jì)60年代，激光器的問(wèn)世為如何將物質(zhì)加熱到極高能量打開(kāi)了一條門(mén)縫。蘇聯(lián)專(zhuān)家最早開(kāi)始考慮激光加熱的方法，因?yàn)樵摲椒芰看?，而且無(wú)需與被加熱物質(zhì)接觸。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該方法類(lèi)似于拿陽(yáng)光聚焦之后點(diǎn)燃木屑一樣。但單個(gè)激光器的能量太低，需要將多個(gè)激光器的能量聚焦于同一點(diǎn)。目前，美國(guó)在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展是最快的，其“國(guó)家點(diǎn)火裝置”正在進(jìn)行將192個(gè)激光器聚焦于同一點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)。而我國(guó)正在試驗(yàn)的“神光三號(hào)”項(xiàng)目——是將32個(gè)激光器聚焦，下一個(gè)目標(biāo)是48個(gè)。該問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，實(shí)則非常困難，因?yàn)榧幢闶敲绹?guó)將192個(gè)激光器聚焦于同一點(diǎn)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到上億攝氏度。

第2個(gè)問(wèn)題，我們拿什么來(lái)盛放超高溫物質(zhì)？上億度的物質(zhì)足夠燒毀任何與其接觸的東西。那么就算能將這些反應(yīng)燃料點(diǎn)燃，又能拿什么來(lái)盛放它？超導(dǎo)托卡馬克裝置的研制為實(shí)現(xiàn)上億度物質(zhì)的存放提供了可能。為了將物質(zhì)固定在一個(gè)密閉的空間中，它通過(guò)將物質(zhì)約束在一個(gè)密閉的環(huán)中使其高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)變相盛放。然而，超導(dǎo)托卡馬克裝置的研制進(jìn)展比較緩慢，要想實(shí)現(xiàn)存放上億度的物質(zhì)，任重而道遠(yuǎn)。

如果這2個(gè)問(wèn)題都能夠得到解決，那么還將面臨一個(gè)更加嚴(yán)峻的問(wèn)題：在第一個(gè)問(wèn)題的解決方案中，“神光三號(hào)”屬于慣性約束過(guò)程，需要聚變物質(zhì)靜止于指定的標(biāo)靶位置等待加熱并點(diǎn)燃。而第二個(gè)問(wèn)題的解決方案的超導(dǎo)托卡馬克裝置屬于磁約束過(guò)程，如果聚變物質(zhì)靜止下來(lái)，則無(wú)法在磁場(chǎng)中受到相應(yīng)的洛倫茲力等作用，難以被約束在一個(gè)指定的密閉空間里。這2種分別針對(duì)2個(gè)難點(diǎn)的方案，完全沒(méi)有辦法結(jié)合起來(lái)。

“人造小太陽(yáng)”可能的問(wèn)世之法

雖然“人造小太陽(yáng)”迄今還未制造出來(lái)，但是科學(xué)家們并沒(méi)有氣餒。他們不斷實(shí)驗(yàn)，不斷創(chuàng)新，研究出了多種可能實(shí)現(xiàn)的方法。

●磁約束核聚變

磁約束核聚變是當(dāng)前開(kāi)發(fā)聚變能源中最有希望成功的方法。它是用特殊形態(tài)的磁場(chǎng)把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的，處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使之受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出能量。自20世紀(jì)60年代中期以來(lái)，各國(guó)科學(xué)家先后建成的磁約束裝置包括托卡馬克、仿星器、反場(chǎng)箍縮、磁鏡、球形環(huán)等，其中環(huán)形磁約束裝置（托卡馬克）是目前各個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中最為成功的方法。

磁約束設(shè)備比較大，但反應(yīng)持續(xù)性能好，不需要反復(fù)點(diǎn)火，適合作為核電站、大型船舶的供電系統(tǒng)。其缺點(diǎn)在于開(kāi)關(guān)火性能不佳，靈活度不夠，而且維持強(qiáng)磁場(chǎng)所需的電能成本也不低。

●慣性約束核聚變

這一方法是把幾毫克的氘和氚的混合氣體裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)，然后從外面均勻射入激光束或粒子束，球面內(nèi)層因而向內(nèi)擠壓。球內(nèi)氣體受到擠壓后，壓力升高，溫度也隨之急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到點(diǎn)火溫度時(shí)，球內(nèi)氣體發(fā)生爆炸，產(chǎn)生大量熱能。這樣的爆炸每秒鐘發(fā)生三四次，并持續(xù)不斷地進(jìn)行下去，釋放出的能量就可以達(dá)到百萬(wàn)千瓦級(jí)的水平。我國(guó)著名科學(xué)家王淦昌就是這一理論的奠基人之一。

在慣性約束核聚變中，激光約束技術(shù)最為成熟。因?yàn)榧す饧夹g(shù)能產(chǎn)生聚焦效果良好且能量巨大的脈沖光束，所以我國(guó)的神光裝置以及美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置都采用這種核聚變約束形式。

慣性約束核聚變的好處在于設(shè)備不必大，而且開(kāi)、關(guān)火控制性能也比較好，適合未來(lái)用于飛行器等領(lǐng)域。但缺點(diǎn)是能源消耗量大，燃料靶丸制造成本高。

●聚變裂變混合堆

聚變裂變混合堆就是利用聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子，在聚變反應(yīng)室外的鈾-238、釷-232包層中，生產(chǎn)钚-239或鈾-233等核燃料，同時(shí)釋放出裂變能。

聚變裂變混合堆只要求聚變產(chǎn)生的能量與消耗的能量差不多對(duì)等，因而它對(duì)聚變的要求比純聚變堆低，是實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)應(yīng)用的捷徑。

●核爆聚變電站

核爆聚變電站就是利用聚變裝置爆炸釋放的能量來(lái)發(fā)電。在設(shè)想的電站當(dāng)中，核裝置在一個(gè)巨大的洞室中爆炸，爆炸之前往洞中噴灑液態(tài)金屬鈉，并使鈉在爆炸時(shí)能在爆炸裝置的周?chē)纬梢欢ǖ姆植迹瑥亩罅课毡ǖ哪芰?，同時(shí)還可以有效降低爆炸沖擊爆破洞壁的強(qiáng)度。

爆炸后，把加熱了的鈉從洞中抽出，與電站第二回路形成熱交換，從而發(fā)電。但要實(shí)現(xiàn)核爆聚變電站，還需要解決很多問(wèn)題，例如核燃料的生產(chǎn)和回收問(wèn)題、核爆炸轉(zhuǎn)換為熱能和電能的安全問(wèn)題、工程技術(shù)問(wèn)題等。

美國(guó)NIF裝置布局示意圖

中國(guó)神光-Ⅲ裝置布局示意圖

我國(guó)研發(fā)的“神光三號(hào)”慣性約束核聚變激光驅(qū)動(dòng)裝置

除了以上幾種利用聚變能的方法外，科學(xué)家還研究了重力場(chǎng)約束型核聚變、常溫核聚變、L子催化核聚變、超聲波核聚變以及氣泡核聚變等聚變方法，這些都是人們?cè)噲D實(shí)現(xiàn)可控的核聚變，實(shí)現(xiàn)能量持續(xù)平穩(wěn)輸出的有益嘗試。相信通過(guò)科學(xué)家的接力研發(fā)，用上取之不盡、用之不竭的清潔能源將不再是夢(mèng)想。

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