日前，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)組織理事會(huì)于實(shí)驗(yàn)堆所在地——法國(guó)的卡達(dá)拉舍舉行特別會(huì)議，7個(gè)參與國(guó)家和組織(中國(guó)、韓國(guó)、歐盟、印度、日本、俄羅斯和美國(guó))就合作建造 ITER計(jì)劃總預(yù)算的修訂、整個(gè)計(jì)劃實(shí)施的時(shí)間進(jìn)程兩項(xiàng)主要內(nèi)容再次進(jìn)行協(xié)商，終于達(dá)成一致：立即按預(yù)定計(jì)劃開始實(shí)驗(yàn)堆的建造進(jìn)程，這標(biāo)志著人類對(duì)受控核聚變的探索步入了關(guān)鍵的發(fā)展階段—— “人造太陽(yáng)”離我們有多遠(yuǎn)？
ITER，世界最大的托卡馬克(國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆)
ITER的超導(dǎo)線圈所用超導(dǎo)電纜是中國(guó)科學(xué)院合肥等離子體物理研究所所制
ITER加熱系統(tǒng)原理圖：一個(gè)中性束注入器和兩種高頻電磁波將等離子體加熱到1.5億攝氏度
核聚變一旦被駕馭
人類將獲理想清潔能源
50多年前，人類已經(jīng)在地球上實(shí)現(xiàn)了發(fā)生在太陽(yáng)內(nèi)部的氘(dāo)氚(chuān)核聚變過程，這就是氫彈爆炸。
氫彈的成功引爆，讓人類真正體會(huì)到兩個(gè)質(zhì)量最輕的原子核聚合竟會(huì)瞬間釋放出如此驚人的巨大能量！如果能夠按照人們的需要有效地控制這個(gè)反應(yīng)過程，讓能量長(zhǎng)期地、持續(xù)地釋放，就可以將這個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生的巨大能量拿來為人類發(fā)電，實(shí)現(xiàn)核聚變能的和平利用。
大家比較熟識(shí)的核電，是從上世紀(jì)50年代發(fā)展起來的和平利用核裂變能技術(shù)。與傳統(tǒng)的化石燃料經(jīng)過燃燒排放大量溫室氣體、污染大氣的缺陷相比，核能的利用就清潔多了。可惜核裂變能的利用會(huì)產(chǎn)生難于處理的核廢料，處理成本相當(dāng)高，加上安全運(yùn)行問題時(shí)有發(fā)生，它依然會(huì)給人類的生存環(huán)境造成威脅。加上全世界的核燃料資源(鈾礦)也只夠我們用70年，核能的利用依然無(wú)法很好地解決“清潔”和“恒久”兩大問題。
受控核聚變一旦能夠成功，不但產(chǎn)生的能量巨大，還可以為人類帶來理想而恒久的清潔能源。
首先，核聚變所消耗的“燃料”(氘和氚)來自世界上普遍存在的海水，燃料資源極為豐富。一個(gè)水分子有兩個(gè)氫原子，它的同位素氘(亦稱“重氫”)與氧原子結(jié)合所生成的水稱為“重水”，在海水中所占比例雖然小，但是人們只需用蒸餾法就可從海水中取得重水，然后再電解重水就可獲得氘。而氚也可以從海水中含量豐富的鋰元素中制造出來。因?yàn)殇囋釉谥厮磻?yīng)堆中被中子轟擊之后就會(huì)分裂成氚和氦。科學(xué)家將用鋰制的靶件放入重水反應(yīng)堆內(nèi)，在中子的照射下得到氚。
尤其重要的是，這個(gè)核聚變反應(yīng)生成的廢物是氦，它并不給環(huán)境帶來污染，這意味著，這種核聚變過程一旦被駕馭，人類將獲得一個(gè)理想的清潔能源。
從核物理理論和愛因斯坦著名的質(zhì)量能量轉(zhuǎn)換公式可知，聚變能比裂變能還要大幾倍。經(jīng)測(cè)算，l升海水所含的氘產(chǎn)生的聚變能等同于300升汽油所釋放的能量；1公斤氘全部聚變釋放的能量大致相當(dāng)于11000噸煤炭所釋放的能量；海水中氘的儲(chǔ)量足夠人類使用幾十億年。這是目前為止沒有任何新能源能與之比擬的。
難怪，人們把這種受控核聚變形象地稱之為“人造太陽(yáng)”計(jì)劃。
ITER實(shí)驗(yàn)堆
是內(nèi)部溫度極高的“磁籠子”
計(jì)劃中的ITER實(shí)驗(yàn)堆是一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，高24米，直徑30米，建成之后總重量將達(dá)23000噸，比三座法國(guó)巴黎的埃菲爾鐵塔(7300噸)還要重。
燃料(氘和氚的混合物)有了，還得把它們關(guān)在“籠子”里讓人們控制它。科學(xué)家們首先把這些燃料變成離子(這是物質(zhì)除了以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)存在之外的第四種存在形式)狀態(tài)，才能用電與磁的方法束縛、控制它們。
ITER實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃中設(shè)計(jì)的籠子是一個(gè)足夠大的“磁籠”，它實(shí)際上是由18節(jié)巨型的D型環(huán)向磁場(chǎng)線圈所組成，每一節(jié)就重360噸，相當(dāng)于一架滿載的波音747-300客機(jī)的總重量。當(dāng)強(qiáng)大的電流通過這些大線圈時(shí)，環(huán)形線圈內(nèi)就產(chǎn)生強(qiáng)大的環(huán)形磁場(chǎng)，磁場(chǎng)內(nèi)等離子體的帶電粒子就被它的磁力線約束住了。可以想象，高達(dá)1.5億攝氏度(相當(dāng)于太陽(yáng)內(nèi)核溫度的10倍)的極高溫等離子體內(nèi)，粒子運(yùn)動(dòng)非常激烈，所以必須形成足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)來約束它們。這實(shí)在是太難了！幸而超導(dǎo)技術(shù)的突飛猛進(jìn)幫了大忙。
產(chǎn)生熱核聚變的另一個(gè)重要條件就是要制造溫度達(dá)1.5億攝氏度的高溫等離子區(qū)，在這種環(huán)境下，帶正電的氘核和氚核才得以克服靜電斥力互相碰撞。ITER使用的產(chǎn)生高溫方法很像微波爐對(duì)食物加熱。參加合作的我國(guó)科學(xué)家正在努力研究更高性能的“高功率射頻加熱裝置”來實(shí)現(xiàn)它。
還得考慮的是：這么高溫度的等離子體，用什么材料作容器(反應(yīng)器)都承受不了。科學(xué)家非常聰明，通過環(huán)形螺線管磁場(chǎng)約束能將高溫等離子體約束在反應(yīng)器中間而不接觸反應(yīng)器的“墻壁”。但這樣超高的溫度還是會(huì)通過熱對(duì)流、熱輻射將熱量傳到反應(yīng)器內(nèi)壁。后來，科學(xué)家動(dòng)用了耐高溫的石墨材料來制造這個(gè)反應(yīng)器，還在它的內(nèi)壁襯上含鋰的材料。
最新預(yù)算加至160億歐元
20年達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)？
從提出磁約束開始，有人就曾預(yù)言50年內(nèi)實(shí)現(xiàn)受控核聚變。至今，半個(gè)多世紀(jì)過去了，科學(xué)家們還在不斷地克服類似的種種技術(shù)障礙和挑戰(zhàn)，距離最初的目標(biāo)依然相當(dāng)遙遠(yuǎn)。難就難在，用什么方法將等離子體升溫至1.5億攝氏度，還要在這種溫度下長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定地維持等離子態(tài)的密度以確保熱核聚變持續(xù)進(jìn)行。科學(xué)家們已經(jīng)估計(jì)到，氘和氚離子不管如何被約束，還是會(huì)有些更高能量的離子逃逸出去。如果不能維持足夠、穩(wěn)定的等離子體，聚變反應(yīng)就無(wú)法維持下去。ITER面臨類似的考驗(yàn)還很多。
然而，人類的技術(shù)總是不斷進(jìn)步的，我們相信，在未來的幾十年里，更多更新的技術(shù)又將會(huì)出現(xiàn)，人類將會(huì)利用這些更新的技術(shù)手段，更具體地認(rèn)識(shí)受控核聚變的物理過程，并用自己的智慧和能力證明，人類獲得永久清潔能源的前景是光明的。
在日前召開的ITER理事會(huì)上，在各方承諾把預(yù)算追加到160億歐元后，ITER計(jì)劃修訂后確認(rèn)的時(shí)間表如下：從2007年年底開始至2019年為實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)階段。實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)的里程標(biāo)志是：首個(gè)等離子體于2019年11月前誕生；下一階段為熱核聚變操作實(shí)驗(yàn)階段，即要求在2027年3月前開始實(shí)驗(yàn)堆內(nèi)的氘氚反應(yīng)，直到獲得50萬(wàn)千瓦輸出功率為止。
鏈接
實(shí)現(xiàn)難度極大
引發(fā)各方國(guó)際合作
繼1983年美國(guó)時(shí)任總統(tǒng)里根提出以美蘇為首合作建設(shè)國(guó)際空間站的設(shè)想之后兩年，美國(guó)和前蘇聯(lián)在日內(nèi)瓦峰會(huì)上又向國(guó)際社會(huì)提出了一個(gè)宏大的國(guó)際合作計(jì)劃——以美蘇為首，邀請(qǐng)多國(guó)參與，投資建造國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)，目的是合作進(jìn)一步深入研究受控?zé)岷司圩兡艿奈锢頇C(jī)理，盡快搞出一個(gè)可供商業(yè)化運(yùn)作參考的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。1986年，ITER開始設(shè)計(jì)和籌建，美、歐、日三方表示愿意接受前蘇聯(lián)科學(xué)家提出的“托卡馬克”方案和有關(guān)合作計(jì)劃的建議。
1988年國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃正式啟動(dòng)。1992年，上述四方首次簽署了國(guó)際熱核計(jì)劃工程設(shè)計(jì)協(xié)議，1998年基本完成前期工作。雖然蘇聯(lián)的解體和隨后美國(guó)1999年一度宣布退出使這一國(guó)際合作計(jì)劃受到很大影響，但到2001年，新的工程設(shè)計(jì)修改方案還是圓滿完成了。2003年初，中國(guó)受邀宣布加入該計(jì)劃的談判，再加上有韓國(guó)和此后印度的加入，到2006年5月，代表著全人類人口一半以上的7國(guó)合作方達(dá)成一致，決定在法國(guó)的卡達(dá)拉舍建造國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆。(中國(guó)科學(xué)院新技術(shù)開發(fā)局高級(jí)工程師陳賀能)
|
