笼中烈日完美能源

2022-04-28 09:20:02 | 浏览次数:

只需消耗50兆瓦的能量,却会输出10倍于此的动力,所需要的仅仅是宇宙中最丰富的物质:氘可以直接从占地球表面积70.8%的海洋中提取,氚可以在反应堆中生成。跟普通的核裂变反应堆不同,核聚变不会产生致命的放射性核废料。理论上来讲,一加仑约3.8升的重水产生的能量能与一艘超级油轮载满的石油相当。假如有一天科学家能在可控条件下催化核聚变,我们将得到一种随处可见、干净清洁且储量无限的燃料能源,核聚变堪称是最完美的能源。它将满足人类对能源永无止境的渴求直到永远,世界能源危机也将不复存在。

操控不简单

目前的核电站,全部都是采用核裂变来进行发电。也就是核分裂,由重的铀或钚原子,分裂成较轻原子的一种核反应形式。但是,科学家对核聚变的研究已经经历了数十年,它建立在一个几乎人所共知的物理原理之上:能量等于质量乘以光速的平方。由于光速很大,所以该公式意味着只需要非常小的一点质量就能产生巨大的能量。实际操控,却发现原来并不简单,最需要解决的问题是来自这个“聚”字,因为氢离子会相互排斥,所以研究人员必须想尽一切办法把它们紧紧压在一起,才能产生核聚变。

早在20世纪50年代初,美国普林斯顿大学设计了仿星器,这也是聚变反应堆的第一种设计方案。设计基于一个事实:在聚变所需的高温下,所有电子将会从自己所处的原子中被剥离出来,这种形式的带电粒子“汤”被称为等离子体。仿星器本质上就是一个可以约束等离子体的磁瓶,哪怕等离子体被加热到了几百万摄氏度的高温,也能够用磁瓶的磁场来约束。可惜,研究人员并没有全面了解等离子体的习性,他们很快就失望地发现,等离子体表现得非常不团结。等离子体温度越高、压缩越紧致,要控制它也就越困难,这是所有类型的聚变反应堆都要面对的难题。设想,你双手抱住一个柔软的大气球,用力把它挤压到最小。不管你用的力有多么均匀,气球总是会从手指之间的缝隙鼓胀出来。同样的问题也适用于等离子体,每当科学家想把等离子体压缩到一个足够紧致的小球中去诱导聚变,它们都会找到一丝缝隙从旁边喷射出来。

最接近完美

耗资200亿美元在法国南部卡达拉什附近开始建造的国际热核聚变实验堆(ITER)是一个依靠强大磁场囚笼来约束等离子体的,它采用的磁场囚笼形式被称为托卡马克,外形就是一个面包圈形的金属环上缠绕着一匝匝线圈。这些线圈用来产生磁场,磁场负责将数十亿度的等离子体紧紧地约束在一起,因为这个温度能汽化任何固体材料,只有用磁场来做容器。科学家预期,这个实验获得的能量将超过输入的能量。

目前,ITER的预算已经翻倍再翻倍,工程技术上的问题又总是被一再敷衍。一些技术流程也很繁琐,比如参与方欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国不是集中资源一同开发,而是先在各自国家生产零零碎碎的组件,再运到法国南部ITER所在地去组装。整个过程好比一个人先从网上订购一堆螺母、螺栓和支架,然后试图在自家后院捣鼓出一架航母来。ITER只是第一步,整个能源计划将为期数十年,甚至上百年。一年前ITER还只是地上一个10多米深的大洞,直到最近才刚刚把约100多万立方米的混凝土填下去。ITER项目投入运行的日期也从预期的2016年推至2018年,再推至2020年底。首次净能量输出实验起码要等到2026年。ITER还只是这种公认新能源的序幕,就算ITER获得成功,之后还要建造第二代的测试反应堆,只有这些反应堆都运行正常,各地才会建造能够并网发电的核聚变电站。各个ITER项目的参与国对推动该项目的热情之所以一直不减、趋之若鹜,是因为从长远来看,能满足世界对能源的持续需求,ITER是人类唯一的希望。ITER项目已经演变成21世纪人类最宏大的科学活动,一场复杂科学实验技术的“交响乐”。

虽然通过核聚变发电离我们还非常遥远,还有多个难关等待科学家去挑战。但是,核聚变确实让人着迷,它是那么纯净和美好,它就像中世纪人们追寻的炼金术一般,它是能源研究的“圣杯”。而且核聚变不同于肮脏的化石燃料和危险的铀,美梦一旦成真,带来的影响是巨大的,能量会唾手可得、轻贱如土,石油、天然气等化石能源将变得无关紧要,世界将为之转变。核聚变将一劳永逸地解决人类对能源的需求。它是人类有可能获得的宇宙中最接近完美的东西。

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