核聚变反应堆,似近实远

2014-2-24 10:19 来源: 能源网-中国能源报
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  ■基思·约翰逊/杰夫·布鲁姆菲尔

  科学家们一直渴望着,可以掌控像太阳般制造能量的技术。值得欣慰的是,日前在美国加利福尼亚州北部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,科学家成功制造出一个“微型太阳”。

  研究人员使用全世界最强力的激光聚变装置——“国家点火装置”(NIF),朝一个豆粒大小的目标发射激光,触发了核聚变反应,在不到一秒钟的时间内释放出了巨大的能量。

  尽管它只持续了短暂的一瞬,但这项技术重新燃起了人们对核聚变反应堆的希望。即在未来的某一刻,我们或许可以利用该技术,轻易地制造并控制核聚变反应。

  不过,这并不意味着,清洁的、无限的、安全的核能已经指日可待了。

  劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的物理学家奥马尔·哈瑞肯在2月12日发表研究结果时表示,实验结果标志着,在全世界范围内首次实现了核聚变反应产生的能量超过燃料吸收的能量。

  核聚变始终受到科学家的追捧,是因为其产生的能源安全、清洁,且近乎无限。核聚变反应的原料是氢元素中的两个同位素氘和氚,可以从海水中大量提取,可谓永不枯竭,反应后的产物既没有二氧化碳等有害气体,也没有放射性核废料,甚至不会发生类似核裂变反应堆所出现的核熔毁事故。

  然而在经历了数年的挫折和失败后,核聚变的研究离实用仍旧遥不可及,更谈不上商用。

  核聚变源自恒星内部的自然反应。科学家要想成功模拟太阳内部的反应,就需要实现聚变物质在超高温和超高压状态下相互融合,从而释放出巨大的能量。

  上世纪50年代,当第一颗氢弹引爆的那一刻,科学家就意识到了核聚变的力量,但一直以来,控制核聚变并用于和平用途却是困难无比。

  目前,科学家认为实现人工核聚变反应的方法有两种。其一是“磁约束核聚变”, 利用磁场来约束温度极高的等离子体,以使其反应。代表项目是七国联合建设的国际热核聚变实验堆(ITER)。该项目的难点在于,受强大磁场约束的等离子体,依然会产生逃逸现象或变得不稳定。

  另一种方法就是“惯性约束核聚变”, 通过激光产生的巨大压强,使核燃料体积在极短时间内变小,密度变大,原子核发生聚变反应,释放出能量。

  劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的“国家点火装置”是目前世界上最强大的激光器。美国能源部前期投入高达35.4亿美元,于1997年开始建设,2009年建成。整个项目占地面积达1.6万平方米,相当于三个足球场那么大。

  早在2012年7月,该实验室将192支高能激光器构成阵列发射紫外激光脉冲,虽然只维持了10亿分之23秒,但产生的峰值功率达到500万亿瓦,相当于给定时间内全美耗电总功率的1000倍。

  眼下,最新实验的结果标志着,人类在核聚变项目上终于又迈出了坚实的一步。人类已经有能力通过强大脉冲激光“点火”,实现人工的热核聚变,且核聚变反应产生的能量超过了燃料吸收的能量。为实用型核聚变反应堆提供了一个可行的模式。

  但这离最终实现所谓的“点火”还差很远。要达到建设多个可控核聚变反应堆,最终实现数百万千瓦级核聚变发电站的目标,还需要考虑:点火后聚变产物的清理,如何实现有规律地不断“点火”,如何实现链式核聚变反应等。

  也许在现有的成果上,再经过几十年的努力,我们可以实现可控的、商用的、成熟的激光惯性约束核聚变百万千瓦级发电站。