将太阳搬到地球上
文章出处：北京青年报   发布时间：2005-04-05  


　　“国际热核试验堆”计划参加国将于12月19日在美国华盛顿决定该计划的最终建设国。目前参加该计划的国家包括欧盟、加拿大、俄罗斯、日本和韩国，中国和美国也于今年初加入———


　　欧洲科学家希望太阳的威力，给地球创造取之不尽、用之不竭的能源。于是，他们将目光锁定在世界上规模最大也最雄心勃勃的核反应堆国际计划上。核反应堆不是很多国家都有吗？但这个反应堆与目前各国用来发电的反应堆是完全不同的两个概念。现在的核反应堆是依据核裂变原理发展起来的，而科学家们认为，核聚变才会给人类带来无限的安全的能源。于是，欧盟、日本和加拿大展开了激烈角逐———


　　法国出马志在必得


　　11月26日，欧盟科技部长会议做出一项重大决定：欧盟化解了内部矛盾后全力推举法国的罗纳河口省的卡达拉什（Cadarache）作为建立“国际热核试验堆”（ITER）欧洲唯一的和有力的参选对象。法国官员信心十足地表示，虽然日本和加拿大各有优势，但法国这次是志在必得，一定会全力以赴赢得这项涉及约100亿美元的国际计划！


　　欧盟之所以对这个项目如此另眼相看，不仅因为它是与国际空间站、欧洲加速器、人类基因组计划一样，也是一个大型的国际科技合作项目，还因为它关系着人类的未来。建设热核试验堆的目的是利用氘和氚等氢的同位素在数亿摄氏度的高温下发生聚变反应而产生巨大的“人造太阳能”。与当前核电站的裂变反应相比，核聚变放射性微乎其微，不产生核废料，可循环使用。此外，“国际热核试验堆”计划已十分接近商业化，因此该计划一旦获得成功，将为人类开发新一代战略能源带来一次革命。


　　目前参加“国际热核试验堆”计划的国家包括欧盟、加拿大、俄罗斯、日本和韩国，中国和美国也于今年初加入该计划。这一计划前期建设投资约46亿美元，工程建设预计于2005年开始，用8到10年的时间完成，此后到2030年间还将追加约50亿美元的实验运行资金。由于投资巨大，建设国将从中获得巨大的科技和经济利益。欧盟的西班牙、法国以及日本和加拿大都提出了申请。


　　法国媒体分析，虽然科研机构态度积极，但加拿大政府没有在申办“国际热核试验堆”建设地上进行明确表态，因此实际上已经出局。最终建设地很可能在法国与日本两国中产生。据悉，“国际热核试验堆”计划参加国将于12月19日在美国华盛顿决定该计划的最终建设国。一旦法国胜出，那么卡达拉什将成为地球上最“热”的地方。


　　将“太阳”搬到地球上


　　核聚变的第一步是要使燃料处于等离子体态，也即进入物质第四态。等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。当等离子体的温度达到几千万摄氏度甚至几亿摄氏度时，原子核可以克服斥力聚合在一起，如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到10的22次方时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率，必须超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。


　　科学家指出，利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘（读“刀”，又叫重氢）和氚（读“川”，又叫超重氢）聚合成较重的原子核如氦而释出能量。


　　核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。利用激光核聚变原理建造的发电站称为可控聚变能电站，这种电站的主要燃料是氘。氘大量存在于海水的重水之中，特别是海洋表层3米左右的海水里。据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。我们日常使用的水中也含有大量的氢，另外，从地壳中开采的氢也可以为聚变反应堆提供大量的燃料。据推算，利用氢聚变可以轻而易举地为人类提供5000万年之久的能源！可以说是真正意义上的取之不尽，用之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。


　　第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续稳定地进行，所以是安全的。目前核电站主要是利用铀核裂变反应释放出的能量来发电的，而铀核裂变会产生放射性裂变产物，如果处置不当，就可能污染环境和威胁人类健康。而聚变能电站由于聚变反应本身不会产生放射性污染，而诱发聚变反应的又是不产生污染的激光，因此，聚变能是一种没有污染的干净能源。


　　与利用核裂变的原子能发电相比，核聚变还具有危险非常小的特征。超重氢虽是放射性物质，但其潜在


　　的放射危险却为原子能发电的千分之一。此外，如果发生故障，由于等离子体的温度下降，核聚变反应便会自动停止，不必担心会失控。因此，核聚变反应堆可以建设在大都市的近郊。


　　寻找驯服核聚变的途径


　　目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是“托卡马克(Tokamaks)”型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。按照目前技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。


　　另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固


　　体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。


　　理论和实践都证明，轻核聚变比重核裂变释放出的能量要大得多。利用核裂变，人们已经制造出了原子弹，并且通过反应堆加以人工控制，使其按照人们的需要有序地进行，成功地将核裂变释放出的巨大能量转变为电能，这就是原子能发电。


　　利用核聚变，人们已经制造出了比原子弹威力更大的氢弹，氢弹是炸性（无控）核聚变。要使核聚变释放出的巨大能量转变为电能，即实现核聚变发电，也必须对核聚变实行人工控制，使其按照人们的需要有序地进行，这就是受控核聚变，自20世纪50年代科学家提出受控核聚变设想以来，已取得许多重要成果。


　　受控核聚变比受控核裂变要困难得多、复杂得多，因为它必须具备以下3个条件：(1)足够高的点火温度，需要几千万摄氏度甚至几亿摄氏度的高温；(2)反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一；(3)充分约束，能量的约束时间要超过1秒钟。


　　1991年11月9日，位于英国的联合欧洲核聚变环形装置实验室的科学家们使用氢的同位素氘、氚混合燃料，成功地进行了一次受控核聚变试验，这次试验温度达2亿摄氏度，约束时间持续了2秒，经40种不同的检查，证明是一次成功的、真正的核聚变。除欧共体外，美国普林斯顿大学的托卡马克核聚变反应堆(TFTR)，法国和日本的大型托卡马克装置，均在进行着类似的研究和试验。1984年，我国在西南物理研究院，建成了中型托卡马克装置———中国环流器1号，也取得了许多重要实验成果。目前，激光技术的发展和进步，使


　　高温点火问题获得解决，世界上最大的激光器输出功率已达100万亿瓦，足够点燃核聚变之用。此外，利用超高频微波加热法也可达到点火温度。


　　核聚变发电并不遥远


　　今年8月，俄联邦核中心宣布，该中心专家利用“火花－5”激光装置模拟核聚变，获得相当于太阳内部温度8倍的高温。俄研究人员利用12束激光轰击一个盛有氘、直径比人头发丝还细的玻璃管，持续时间为0．3纳秒（1纳秒为十亿分之一秒），结果发生了核聚变反应。该中心专家介绍说，他们在试验中实际测得的温度达到1亿摄氏度，是太阳内部温度的8倍。


　　利用核聚变来为人类创造无限能源的梦想正一步步变成现实。那么，核聚变发电何时可以实现呢？日本核聚变科学研究所的藤原所长说：我们核聚变的研究，是以于2050年左右能够进行实际发电的验证反应堆为目标的。而且，我们还期待着，到21世纪后半期，即使在大都市的郊外也能建设核聚变发电站。


　　各国之所以如此重视核聚变研究，除了它可为人类找到一种用不完的清洁能源外，核聚变在军事上也有重大用途，比如，可以利用它研制真正的“干净”核武器。早在20世纪50年代，氢弹就已研制成功并装备部队。但氢弹均是以原子弹作为点火装置的。原子弹爆炸会产生大量的放射性物质，所以这类氢弹被称为“不干净的氢弹”。采用激光作为点火源后，高能激光直接促使氘氚发生热核聚变反应。这样，氢弹爆炸后，就不产生放射性裂变产物，所以，人们称利用激光核聚变方法制造的氢弹为“干净的氢弹”。传统的氢弹属于第二代核武器，而“干净的氢弹”则属于第四代核武器。它的发展不受《全面禁止核试验条约》的限制。由于不会产生剩余核辐射，因此，它可以作为“常规武器”使用。