實(shí)現(xiàn)核聚變：無法輕松碰觸的幻想

2017/8/9 13:52:31

當(dāng)航空巨頭洛克希德˙馬丁公司向媒體公開宣布，將在今后10年內(nèi)把小規(guī)模核聚變付諸實(shí)踐的時(shí)候，你很難想象當(dāng)時(shí)的情景，這個(gè)激動(dòng)人心的消息引起了媒體界的極大轟動(dòng)。然而，面對(duì)如此振奮人心的消息，物理學(xué)界卻保持了應(yīng)用的冷靜和謹(jǐn)慎。

不久前，在俄羅斯圣彼得堡召開的第25屆國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)聚變能大會(huì)，作為全球聚變界研究的“奧林匹克”，是聚變界眾多會(huì)議中參會(huì)人數(shù)最多、規(guī)模最大、層次最高的國(guó)際會(huì)議。但在這次大會(huì)上，洛克希德˙馬丁并沒有宣布他們的研究成果，甚至沒有派出科學(xué)家參加。不能不說這其中的“矛盾”耐人尋味。

據(jù)洛克希德˙馬丁公司介紹，其著名的研發(fā)部門“臭鼬工廠”(Skunk Works)，一直在研究一種新的緊湊型聚變反應(yīng)堆，并將在10年內(nèi)讓這項(xiàng)技術(shù)投入使用。此外，新的反應(yīng)堆規(guī)模會(huì)足夠小、效率會(huì)足夠高，從而能夠驅(qū)動(dòng)飛行器和發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，該公司透露的唯一的技術(shù)細(xì)節(jié)僅僅是這個(gè)新型反應(yīng)堆裝置具有非常高的β值，這個(gè)參量意味著對(duì)裝置施加一個(gè)很弱的磁場(chǎng)就能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的等離子場(chǎng)。

僅靠這些信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法證明我們對(duì)核聚變的研究擁有了足夠可靠的進(jìn)展，更無法使人相信在未來10年內(nèi)可以憑此開發(fā)出具有革命意義的新能源。

眾所周知，核聚變是由澳大利亞物理學(xué)家馬克˙奧利芬特發(fā)現(xiàn)的一種核反應(yīng)。這種物理反應(yīng)是太陽(yáng)以及其他恒星能夠永不停歇地發(fā)光發(fā)熱的能量來源。如果核聚變能夠被人類合理地利用，它將成為一種取之不盡的清潔能源。

顧名思義，核聚變能是較輕的原子核聚合時(shí)所釋放的能量。是在一個(gè)極度高溫高壓的等離子體環(huán)境下，氘和氚的原子核(它們都是氫元素的同位素)通過電磁場(chǎng)結(jié)合在一起，并釋放出巨大的聚變能。

核聚變的吸引力是有目共矚的。同裂變相比，他們擁有很多共同的優(yōu)點(diǎn)，比如都不會(huì)產(chǎn)生任何溫室氣體。然而又不同于核裂變有大量的副產(chǎn)品，核聚變的反應(yīng)實(shí)質(zhì)是氘氚結(jié)合生成氦和具有高能的中子，這個(gè)過程非常清潔，不會(huì)產(chǎn)生有害的電磁波和核廢料。而且核聚變非常的高效，能量利用率很高，唯一的能量損耗僅僅發(fā)生在中子擊打反應(yīng)堆屏障時(shí)所造成的損失。

氘元素，作為核聚變的燃料，在天然水中有極其豐富的儲(chǔ)量。任何一個(gè)臨近水域的城市都能夠輕易的獲取這種“廉價(jià)”燃料，這將大大緩解由能源儲(chǔ)備不均衡所造成的地區(qū)局勢(shì)緊張。核聚變的能量效率很高，使用每公斤燃料，核聚變都將比核裂變多釋放4倍的能量，而令人吃驚的是，這個(gè)數(shù)字是使用煤炭的近1000萬倍。

全世界的氘儲(chǔ)備足夠支撐人類文明繼續(xù)延續(xù)數(shù)百萬年。因此，如果能夠?qū)崿F(xiàn)核聚變，無論在政治還是經(jīng)濟(jì)方面，能源將不再成為人類發(fā)展的困擾。

更重要的是，核聚變反應(yīng)堆從本質(zhì)上來說是非常安全的。一旦停止加熱，反應(yīng)就會(huì)停止。不同于不穩(wěn)定的核裂變，在核聚變的過程中不會(huì)再有核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，因此也不再有反應(yīng)堆融化甚至爆炸的危險(xiǎn)情況。

盡管核聚變的好處是那么的巨大，想要實(shí)現(xiàn)它同樣充滿了挑戰(zhàn)。氘氚反應(yīng)是核聚變反應(yīng)中最容易被引發(fā)的。然而，想要實(shí)現(xiàn)氘氚反應(yīng)仍然需1億攝氏度的超高溫，這是太陽(yáng)核心溫度的6到7倍。

實(shí)現(xiàn)核聚變的另一個(gè)關(guān)鍵之處在于使等離子體維持在一個(gè)高溫高壓的環(huán)境下，并保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間從而完成聚變反應(yīng)。

現(xiàn)在，國(guó)際上的研究團(tuán)體都在致力于開發(fā)一種全新的反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀癐TER”，這是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克，俗稱“人造太陽(yáng)”。大體上，它的半徑約為6米，高60米，重達(dá)2.3萬噸，擁有長(zhǎng)達(dá)8萬公里的鎳錫超導(dǎo)線圈，能夠產(chǎn)生5特斯拉的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

盡管面臨著種種困難，核聚變研究的進(jìn)展仍令人矚目。經(jīng)過30年的不斷試驗(yàn)和研究，核聚變的能量輸出已經(jīng)增長(zhǎng)了100萬倍，現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)可以使能量輸出達(dá)到千萬瓦級(jí)別。如果ITER項(xiàng)目最終取得成功，預(yù)期將能夠產(chǎn)生50億瓦的能量輸出。

如果洛克希德˙馬丁想要向世人證明他們的研究成果能夠比多國(guó)齊力研究的ITER項(xiàng)目更加出色，那他們需要展示更多的數(shù)據(jù)。然而，馬丁公司對(duì)參與國(guó)際科研團(tuán)體的冷淡態(tài)度也許暗示了他們對(duì)媒體關(guān)注更加感興趣，而沒有把精力放在科研開發(fā)上。

實(shí)現(xiàn)核聚變的道路還很漫長(zhǎng)，需要所有科學(xué)家不斷地共同探索。而對(duì)于任何技術(shù)性的突破我們都應(yīng)該保持一種相對(duì)冷靜的態(tài)度。