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日前，被譽為“人造太陽”的美國國家點火裝置(NIF)完成了首次綜合點火實驗——192束激光系統(tǒng)發(fā)射的能量打造出600萬華氏度高溫，這相當于恒星或大行星核心的溫度。NIF作為全球最大的激光核聚變裝置，從1997年開始建造起已經花掉了納稅人35.5億美元(約合人民幣235億元)。研究人員不惜代價不僅為了研究如何“駕馭太陽的能量”，這個計劃還承載著人類的清潔能源之夢。
目標靶室由厚達10厘米的鋁板制成
工人向目標靶室內裝填“人造太陽”的核心裝置 在加利福尼亞州利弗莫爾國家實驗室，一座神秘的建筑物仍在修建中。過去十多來年，這個龐大的建筑物一直是環(huán)保主義者關注的焦點。然而，11月2日，這里進行的一次點火實驗震動了科學界。因為作為世界上第一個能產生持續(xù)核聚變的反應堆，“人造太陽”一旦成功將改寫人類的歷史。 地球上造“小太陽” 現(xiàn)今人類可利用的最大、最具商業(yè)價值的能源無疑是核能。核電站利用核能的原理是核裂變，即在高溫高壓狀態(tài)，把鈾或钚等重原子分裂成輕原子，導致其釋放大量能量的核反應方式。但是國家點火裝置利用核能的方式則反其道而行之，不是核裂變，而是核聚變。核聚變是指由質量輕的原子，主要是指氘或氚，在高溫高壓下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。太陽發(fā)光發(fā)熱就是利用核聚變產生的能量。 與核裂變相比，核聚變不僅安全，而且相對環(huán)保。利弗莫爾國家點火裝置曾對媒體說：“太陽產生的光和熱抵達地球，不會產生任何放射性的副產品，而且能長期高效的生產。如果把太陽換成我們正在研究的核聚變反應堆，就等于在地球上建造了一個提供清潔能源的小太陽。” 釋放1.3兆焦耳能量 目前，這個“小太陽”已經初具規(guī)模，并且已經進行了令人鼓舞的試驗，獲得了寶貴的試驗數(shù)據(jù)。利弗莫爾國家點火裝置的一個科研組說，11月2日他們向核聚變反應堆中心發(fā)射192束激光束，用它們瞄準一個只有花生大小卻包含氘和氚氣體的小球體。這個小球體釋放的能量高達1.3兆焦耳，其核心最高溫度大約是600萬華氏度。 國家點火裝置主管愛德華·摩西說，盡管這次試驗沒有能夠達到太陽中心溫度2700萬華氏度，也沒有引發(fā)期待中的持續(xù)性核聚變反應，但這些試驗結果依然非常振奮人心。摩西還稱，美國科學家有決心在2012年實現(xiàn)這一目標。 意義 “人造太陽”研究惠及后代 要想實現(xiàn)核聚變燃燒，首先必須點燃由氫的同位素氘和氚構成的特殊燃料。 20世紀70年代，科學家開始利用強大的激光束進行試驗，壓縮和加熱氫的同位素，使其達到熔點，這一技術被稱作慣性約束核聚變。激光發(fā)射器的作用就是促使這種核聚變快速和持續(xù)產生，包含氘和氚氣體的目標物受到外部的刺激后，將發(fā)生爆炸形成沖擊波，進一步加快目標物核心的燃燒，這種燃燒的持續(xù)性也更長。 一旦這種核聚變成現(xiàn)實，國家點火裝置內靶室的溫度會超過1億華氏度，內部壓力將超過地球大氣壓的1千億倍。國家點火裝置主管愛德華·摩西說：“為了在實驗室里產生核聚變燃燒，我們進行了長達10年的研究。目前利用核聚變或核裂變產生能量的核電站，在過去50多年已經讓發(fā)電量大幅增加，但迄今仍未證明利用氘和氚氣體融合后持續(xù)燃燒產生能源的方法可以投入使用。”因此摩西說，“人造太陽”試驗的意義不言而喻，“一旦我們掌握了實現(xiàn)太陽內部核聚變的技術，我們的子孫后代將享受到科技發(fā)展帶來的飛躍，能源短缺的時代將一去不復返。” 結構 130噸重目標靶室是核心 從上世紀90年代后期開始，利弗莫爾國家實驗室就開始建造“人造太陽”，至今整個計劃已投入約35.5億美元。11月2日進行的綜合點火試驗是迄今以來最成功的一次試驗。未來，還有更復雜和更具挑戰(zhàn)性的試驗在國家點火裝置里上演。 國家點火裝置是一棟10層樓高的建筑物，其面積相當于三個足球場。媒體稱，這個點火裝置是世界上最大的激光科學建設項目，因而成為全球“人造太陽”試驗的中心，承載著人類利用新能源的夢想。國家點火裝置控制室有一套十分先進的電腦自動控制集成系統(tǒng)，它模仿了休斯敦美國宇航局的任務控制中心，被稱為史上科學儀器設計最復雜的自動控制系統(tǒng)之一。 國家點火裝置內部設有130噸重的目標靶室，這是“人造太陽”計劃最核心的部分。靶室里的中心孔洞直徑達10米，用30厘米厚的混凝土掩埋，旁邊有192個激光器向其中發(fā)射中子，以點燃反應堆，并促使包含氘和氚氣體的玻璃物目標產生極大的高溫和高壓。 這個靶室的條件將接近或達到太陽內部核聚變反應時的條件。電腦自動控制集成系統(tǒng)保證了試驗的穩(wěn)定性，因為850臺電腦使激光器發(fā)射激光的間隔不超過50微秒。 應用 世界掀起“人造太陽”熱 “人造太陽”技術可行性高、應用前景廣闊，實際上，除了美國的“人造太陽”計劃，中國、俄羅斯等世界大國目前都在研究類似“人造太陽”的核聚變技術。 國家點火裝置“人造太陽”中的核反應堆目標物是氘和氚，氘可以利用并不復雜的技術，從海水里萃取；氚在金屬鋰中存在，鋰則是土壤里的一種常見元素。所以氘和氚在現(xiàn)實中的開采和利用，相比核裂變要使用到的鈾或钚更為簡單易行。 國家點火裝置在其網站上對氘和氚的利用前景作了形象的對比。他們舉例稱，由于海水中包含氘元素，經過一定的轉化，1加侖海水可提供相當于300加侖汽油產生的能量，50加侖海水產生的燃料所含的能量，相當于2噸煤。“它們很環(huán)保，大規(guī)模應用后，可以減少對化石燃料的使用，從而大大降低碳排放量。” 更為重要的是，氘和氚沒有鈾或钚那樣劇烈的放射性，未來使用它們做反應堆生成的放射性副產品，也比當前核裂變核電站少。 國家點火裝置的官員估計，使用核聚變反應堆的發(fā)電站將在2020年開始運行，到2050年將有25%的美國民用能源由核聚變提供。 |
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