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   北京時間10月26日消息，據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站報道，目前在法國南部卡達(dá)拉舍“國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆”建設(shè)工程正在如火如荼地進(jìn)行著。幾十位來自世界各國的最頂尖核能科學(xué)家匯聚法國，組成實力強(qiáng)勁的國際科研團(tuán)隊，緊鑼密鼓地開展工作，計劃到2018年制造出一個“人造太陽”。

　　    這一熱核聚變實驗反應(yīng)堆將會利用氫的兩種重同位素氘和氚來產(chǎn)生大量能源，理論上將為人類提供豐富的清潔能源，不僅會實現(xiàn)碳的零排放，而且產(chǎn)生的輻射性廢物比當(dāng)前的核裂變反應(yīng)堆要少許多。

　　一、核聚變能源前景無限

　　核聚變同核裂變不同，核裂變是一個重原子核分裂成幾個輕原子核的過程，核聚變是幾個輕原子核聚合為質(zhì)量更重的原子核的過程。 目前世界上的核電站都是通過核裂變方式制造電能的，但是核聚變比核裂變能產(chǎn)生更多能量，而且更高效、清潔。最常見的核聚變是由氫的同位素氘和氚聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。

　　核聚變有著誘人的前景。地球上蘊藏著豐富的核聚變原料。據(jù)測算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經(jīng)過核聚變可提供相當(dāng)于300升汽油燃燒后釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進(jìn)行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭的能源。如果把自然界中的氘用于聚變反應(yīng)，釋放的能量足夠人類使用100億年。至于氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產(chǎn)生，而海水中也含有大量鋰。

　　其實早在約100年前，世界著名物理學(xué)家愛因斯坦就預(yù)見到在原子核中蘊藏著巨大的能量。1939年，美國物理學(xué)家貝特證實，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞，結(jié)合成一個氦原子核，并釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發(fā)現(xiàn)，揭示了太陽“燃燒”的奧秘。

　　于是，制造一個裝置，通過受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)獲得無窮盡的新能源，成為全世界許多科學(xué)家的夢想?！斑@就相當(dāng)于人類為自己制造一個或數(shù)個小太陽，源源不斷從核聚變中得到能量?！?/P>

　　國際熱核實驗反應(yīng)堆(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)計劃也被稱為“人造太陽”計劃，由歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度等7方共同參與，與國際空間站、歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)、人類基因組計劃一樣，是一個龐大的國際科技合作項目，需要多國科學(xué)家合作才能完成。其目的是借助氫同位素在高溫下發(fā)生核聚變來獲取豐富的能源。其原理類似太陽發(fā)光發(fā)熱，即在上億攝氏度的超高溫條件下，利用氘、氚的聚變反應(yīng)釋放出核能。核聚變?nèi)剂想碗翱梢詮暮Ｋ刑崛?，核聚變反?yīng)不產(chǎn)生溫室氣體及核廢料。由于原料取之不盡，不會危害環(huán)境，這一計劃的實施結(jié)果將決定人類能否迅速地、大規(guī)模地使用核聚變能，從而可能影響人類從根本上解決能源問題的進(jìn)程，因此，意義和影響十分重大。

　　專家認(rèn)為，在核聚變反應(yīng)堆里，氘、氚等原子聚合后，變成更重的原子。這和通過分裂而釋放能量的核裂變截然不同，人們需要進(jìn)行許多實驗來了解有關(guān)反應(yīng)的特性。此外，要在地球上使用受控的核聚變反應(yīng)堆，就必須把氣體加熱到超過1億攝氏度。這在工程和材料上的挑戰(zhàn)將非常艱巨，據(jù)了解，要建造這一“人造太陽”，需要成千上萬噸的混凝土和鋼鐵，而且還需要多種罕見的物質(zhì)，比如鈹、鈮、鈦和鎢，以及低溫液氮和液態(tài)氦。當(dāng)然，最為關(guān)鍵的是，還需要大量核燃料。所有這些原料最終將會制造出國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆，從而在熱核聚變領(lǐng)域取得重大突破。

　　二、核聚變難度堪比登天

　　人造太陽的前景如此美好，那么為什么我們的電網(wǎng)中還沒有熱核聚變產(chǎn)生的電能呢？

　　盡管熱核聚變實驗反應(yīng)堆的概念非常簡單，但是實現(xiàn)起來卻是另外一回事。因為原子核在熱核聚變時并不積極，每個原子核都帶有一個正電荷，它們之間互相排斥。因此在常規(guī)狀態(tài)下讓兩個原子核結(jié)合起來幾乎是不可能完成的。只有達(dá)到驚人的高溫，原子核才能獲得足夠的能量克服相互間的排斥，成功撞擊，最終實現(xiàn)核聚變。

　　太陽內(nèi)部也是同樣的場景。在太陽內(nèi)部，熱量產(chǎn)生自氫原子核的聚變。但是氫原子核只有溫度達(dá)到開氏1500萬度才會慢慢開始熱核聚變。太陽內(nèi)部核燃料的消耗非常緩慢，因此太陽的壽命已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十億年。

　　然而在核聚變電站，核燃料需要在人類的時間尺度上進(jìn)行聚變，而不能按照宇宙時間尺度進(jìn)行。相對來講，氫的重同位素氘、氚比氫更容易燃燒，但是，要想讓氘氚在國際熱核聚變實驗堆內(nèi)充分燃燒，溫度必須達(dá)到天方夜譚般的開氏1億5千萬度。如此高的溫度將會帶來一系列難以克服的工程難題。特別是，如何控制比太陽內(nèi)核溫度高十倍的電子和原子核高溫離子體。

　　即使最堅固的建筑材料都不能承受超過數(shù)百開氏度的溫度。因此科學(xué)家提出通過磁場給高溫等離子體編織一個“籠子”。ITER采用了若干個小型熱核聚變反應(yīng)堆所采用的設(shè)計方法，在這些實驗中已經(jīng)實現(xiàn)了核聚變所需的恐怖高溫。

　　據(jù)悉，國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆將采用1968年由蘇聯(lián)人發(fā)明的托卡馬克裝置。托卡馬克又稱環(huán)流器，是一個由環(huán)形封閉磁場組成的“磁籠”，高溫產(chǎn)生的等離子體就被約束在類似于面包圈的磁籠中。托卡馬克裝置通過約束電磁波驅(qū)動，創(chuàng)造氘、氚實現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫，并實現(xiàn)人類對聚變反應(yīng)的控制。國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆中的托卡馬克裝置是一個直徑超過12米、容積達(dá)837立方米的環(huán)形容器，里面環(huán)繞著超導(dǎo)電磁線圈。環(huán)形托卡馬克裝置外部的磁體能產(chǎn)生強(qiáng)烈的螺旋型磁場，能夠約束熱核聚變中產(chǎn)生的超高溫等離子體。為了打造這一巨大的磁性籠子，國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆項目需要超過10000噸的鈮合金制成的超導(dǎo)線圈，并且要用低溫液態(tài)氦氣來降溫。

　　三、技術(shù)難關(guān)與解決方案

　　1.超高能量的必要性和危害性

　　聚變?nèi)剂显凇按呕\”以三種不同方式同時燃燒：電子線路發(fā)射電流穿過等離子體、微波加熱以及環(huán)形磁場線圈周圍的微粒加速器發(fā)射高能原子對其進(jìn)行轟擊。即使多策并舉，時至今日所有的托卡馬克都沒有產(chǎn)生太多的聚變能。為了獲得更大的突破，國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆將會啟動一部更加巨大、密度更強(qiáng)的等離子環(huán)形磁場線圈。假如計劃全部實現(xiàn)的話，則需要多十倍的能量才能激發(fā)出等離子。

　　如此高的能量會給國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆帶來威脅，因為“磁籠”并非牢不可破的?；顒觿×业牡入x子體會發(fā)射出X射線，溢出帶電粒子。而且，聚變反應(yīng)將產(chǎn)生電中性且不受磁力吸引的高能中子。盡管有“磁籠”約束，國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆的等離子體很可能會以每平方米數(shù)兆瓦的熱量將外壁炸開，其破壞力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此前的任何托卡馬克或常規(guī)核裂變反應(yīng)堆。

　　2.如何使反應(yīng)倉堅不可摧

　　解決能量問題的方案貌似簡單：用水冷回路將熱量轉(zhuǎn)移至熱交換器，最終形成蒸汽。負(fù)責(zé)ITER反應(yīng)器內(nèi)部食物的馬里奧？梅羅拉說：“顯而易見，這就是我們最希望通過核聚變反應(yīng)所獲取的東西—提取熱能?！?/P>

　　但是，可操作性才是問題的關(guān)鍵。反應(yīng)堆主承重壁，又稱再生區(qū)，由440塊半米厚的不銹鋼板組成，并釘進(jìn)很多高壓水管。這些不銹鋼墻壁將吸收絕大部分的中子，這些中子會使墻壁從內(nèi)部升溫。水管相距不銹鋼內(nèi)壁不超過2.5厘米，否則中間的鋼板就會因溫度太高而變軟。

　　直接面對等離子體的內(nèi)層鋼板則不起作用。射入的等離子體會將鋼板上的金屬原子擊發(fā)出并送進(jìn)反應(yīng)盒，污染那里的燃料和降低聚變反應(yīng)的強(qiáng)度。為此，國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆研究團(tuán)隊選擇用鈹制成的瓷磚貼在墻壁上。雖然對人體有毒，但鈹卻非常適合抑制等離子破壞。它是一種輕元素，其原子重量非常接近氘和氚的原子重量。所以，盡管部分鈹會從墻壁上爆發(fā)出去，也不會撲滅反應(yīng)堆的火焰。

　　鋼板和鈹板也會被通過的電流和磁場的機(jī)械力量擊傷。每塊四噸重的金屬板要承受一百噸的壓力，因此它們必須要牢牢地固定、堅不可摧，哪怕上面有安裝水管的洞孔。“再生倉的設(shè)計是整個反應(yīng)堆中技術(shù)最難的部分之一。”梅羅拉說。

　　反應(yīng)倉的底部也需要高強(qiáng)度的裝甲板，并使用一種稱作“偏濾器”的特殊裝置以保持等離子體的純度。聚變反應(yīng)的主要副產(chǎn)品是氦核子，如果積累太多的話，將會撲滅反應(yīng)中的核子烈焰。偏濾器的作用在于過濾掉等離子體的最表層，將其冷卻并吸走，從而移除掉“氦垃圾”和其他雜質(zhì)。偏濾器表面將非常灼熱，單單是鈹很容易熔化，因此要覆蓋上熔點高達(dá)3000開氏溫度的鎢絲和碳纖維。

　　3.克服邊緣局部化模態(tài)的破壞力

　　國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆的外壁能夠利用水來降溫，以抵御等離子線圈發(fā)射出的持續(xù)熱量。但這還不是反應(yīng)堆必須要面對的最大問題。托卡馬克內(nèi)部的等離子體在很多方面都和太陽相似，例如線圈也會突然產(chǎn)生一種稱作“邊緣局部化模態(tài)”的劇烈反應(yīng)。在千分之一秒的瞬間，等離子線圈表面迅速膨脹，爆炸出大量的粒子?！翱雌饋砭拖裉栆咭粯??！眹H熱核聚變實驗反應(yīng)堆研究員阿爾伯托？羅雅特說。

　　“困擾我們的問題在于釋放的粒子不僅數(shù)量龐大，而且具有一定的區(qū)域性和方向性，可能會產(chǎn)生每平方米數(shù)十億瓦特的力量，那將是陽光照射地球功率密度的一百萬倍。”羅雅特解釋道。雖然單個的“邊緣局部化模態(tài)”非常短暫，但其放射的能量也足以使表層的鈹、鎢或碳瞬間蒸發(fā)。假如“邊緣局部化模態(tài)”每秒鐘會出現(xiàn)幾次的話，最堅固的裝甲也會灰飛煙滅。

　　但是，國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆團(tuán)隊計劃將冰塊投進(jìn)燃燒的火焰中來解決這個問題。該技術(shù)在上個世紀(jì)90年代應(yīng)用于德國慕尼黑附近加興市一個稱作“偏濾器實驗器”的反應(yīng)堆。與其他的托卡馬克一樣，偏濾器實驗器也需要把燃料放置在在等離子線圈上，為此它安裝了一部氣動噴槍，將冷卻的氘球發(fā)射到線圈盒中。

　　偏濾器實驗器的研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氘球射到等離子時，會產(chǎn)生邊緣局部化模態(tài)一樣的爆發(fā)現(xiàn)象，大量的氣體瞬間釋放。因此可以通過確定發(fā)射氘球的時間和方向來降低邊緣局部化模態(tài)的力度?！澳憧梢赃x擇連續(xù)性地發(fā)射氘球，從而使邊緣局部化模態(tài)規(guī)模變小，并降低爆炸的破壞力?！绷_雅特說。

　　當(dāng)然，這種控制方法也并非完美無缺：邊緣局部化模態(tài)最終會穿透反應(yīng)堆的內(nèi)壁，因此必須要有另外一層防御設(shè)施。2006年，在位于美國加州圣迭戈通用原子公司的DIII-D托卡馬克試驗中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們能夠利用反應(yīng)堆內(nèi)的一排小磁環(huán)來阻止邊緣局部化模態(tài)的集中出現(xiàn)。小磁環(huán)放置在保護(hù)墻的后面，形成微弱的磁場，擾動等離子的表面，在一定程度上阻止了邊緣局部化模態(tài)的爆發(fā)。“我們還無法從理論上清楚地解釋這種現(xiàn)象。”羅雅特說。

　　上述兩種方法在英國牛津附近的JET聚變反應(yīng)堆被進(jìn)一步改進(jìn)，但最終的試驗將在國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆進(jìn)行，以驗證它們是否能夠在不釋放太多等離子和影響聚變反應(yīng)的前提下控制住邊緣局部化模態(tài)。

　　4.令人不寒而栗的中子爆炸

　　中子是另一個潛在的威脅。聚變反應(yīng)堆芯產(chǎn)生的高能中子會整個反應(yīng)堆溫度升高，破壞它們碰到的任何結(jié)晶體，堅硬的金屬也會變得脆弱不堪。反應(yīng)堆引發(fā)的中子爆炸將遠(yuǎn)比我們在地球上看到的一切爆炸都更加劇烈—整個反應(yīng)堆會不會被炸得粉身碎骨呢？

　　梅羅拉深信這種情況不會發(fā)生。保護(hù)壁會采用奧氏體不銹鋼。這是一種用于家庭餐具上的鋼材，具有高彈性晶體結(jié)構(gòu)，即使在很多原子遭到破壞的情況下仍具有足夠的強(qiáng)度?！皧W氏體不銹鋼抗擊打能力是非常強(qiáng)的?！泵妨_拉說。

　　核聚變始終是充滿爭議，特別是由于需要源源不斷的巨額投入。單單是國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆就需要100億美元。懷疑論者還指出，核聚變支持者于二十世紀(jì)五十年代就提出會開發(fā)出取之不盡、用之不竭的清潔能源。但半個多世紀(jì)過去了，實現(xiàn)的前景仍然遙遙無期。

　　國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆團(tuán)隊顯然希望這一天盡快到來。如果他們能夠在反應(yīng)堆成功取得實質(zhì)性突破，最終實現(xiàn)核聚變發(fā)電的夢想也許真的為期不遠(yuǎn)了。