“人造太阳”离我们有多远?

日前,国际热核聚变实验堆组织理事会于实验堆所在地——法国的卡达拉舍举行特别会议,7个参与国家和组织(中国、韩国、欧盟、印度、日本、俄罗斯和美国)就合作建造 ITER计划总预算的修订、整个计划实施的时间进程两项主要内容再次进行协商,终于达成一致:立即按预定计划开始实验堆的建造进程,这标志着人类对受控核聚变的探索步入了关键的发展阶段。

核聚变一旦被驾驭人类将获理想清洁能源

氢弹的成功引爆,让人类真正体会到两个质量最轻的原子核聚合竟会瞬间释放出如此惊人的巨大能量!如果能够按照人们的需要有效地控制这个反应过程,让能量长期地、持续地释放,就可以将这个反应产生的巨大能量拿来为人类发电,实现核聚变能的和平利用。

大家比较熟识的核电,是从上世纪50年代发展起来的和平利用核裂变能技术。与传统的化石燃料经过燃烧排放大量温室气体、污染大气的缺陷相比,核能的利用就清洁多了。可惜核裂变能的利用会产生难于处理的核废料,处理成本相当高,加上安全运行问题时有发生,它依然会给人类的生存环境造成威胁。加上全世界的核燃料资源(铀矿)也只够我们用70年,核能的利用依然无法很好地解决“清洁”和“恒久”两大问题。

受控核聚变一旦能够成功,不但产生的能量巨大,还可以为人类带来理想而恒久的清洁能源。

首先,核聚变所消耗的“燃料”(氘和氚)来自世界上普遍存在的海水,燃料资源极为丰富。一个水分子有两个氢原子,它的同位素氘(亦称“重氢”)与氧原子结合所生成的水称为“重水”,在海水中所占比例虽然小,但是人们只需用蒸馏法就可从海水中取得重水,然后再电解重水就可获得氘。而氚也可以从海水中含量丰富的锂元素中制造出来。因为锂原子在重水反应堆中被中子轰击之后就会分裂成氚和氦。科学家将用锂制的靶件放入重水反应堆内,在中子的照射下得到氚。

ITER实验堆是内部温度极高的“磁笼子”

计划中的ITER实验堆是一个全超导托卡马克装置,高24米,直径30米,建成之后总重量将达23000吨,比三座法国巴黎的埃菲尔铁塔(7300吨)还要重。

ITER实验堆计划中设计的笼子是一个足够大的“磁笼”,它实际上是由18节巨型的D型环向磁场线圈所组成,每一节就重360吨,相当于一架满载的波音747-300客机的总重量。当强大的电流通过这些大线圈时,环形线圈内就产生强大的环形磁场,磁场内等离子体的带电粒子就被它的磁力线约束住了。可以想象,高达1.5亿摄氏度(相当于太阳内核温度的10倍)的极高温等离子体内,粒子运动非常激烈,所以必须形成足够强大的磁场来约束它们。这实在是太难了!幸而超导技术的突飞猛进帮了大忙。

产生热核聚变的另一个重要条件就是要制造温度达1.5亿摄氏度的高温等离子区,在这种环境下,带正电的氘核和氚核才得以克服静电斥力互相碰撞。ITER使用的产生高温方法很像微波炉对食物加热。参加合作的我国科学家正在努力研究更高性能的“高功率射频加热装置”来实现它。

还得考虑的是这么高温度的等离子体,用什么材料作容器(反应器)都承受不了。科学家非常聪明,通过环形螺线管磁场约束能将高温等离子体约束在反应器中间而不接触反应器的“墙壁”。但这样超高的温度还是会通过热对流、热辐射将热量传到反应器内壁。后来,科学家动用了耐高温的石墨材料来制造这个反应器,还在它的内壁衬上含锂的材料。

最新预算加至160亿欧元,20年达到实验目标

从提出磁约束开始,有人就曾预言50年内实现受控核聚变。至今,半个多世纪过去了,科学家们还在不断地克服类似的种种技术障碍和挑战,距离最初的目标依然相当遥远。难就难在,用什么方法将等离子体升温至1.5亿摄氏度,还要在这种温度下长时间、稳定地维持等离子态的密度以确保热核聚变持续进行。科学家们已经估计到,氘和氚离子不管如何被约束,还是会有些更高能量的离子逃逸出去。如果不能维持足够、稳定的等离子体,聚变反应就无法维持下去。ITER面临类似的考验还很多。