核聚變能源

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曾有人這樣揶揄核聚變能源:無論何時,問實現的時間,永遠需要20年。今天看來,這還是太過樂觀了。世界上最大的等離子聚變項目,位於法國南部的國 際熱核聚變實驗堆 (ITER,參見《環球科學》2010第 4期《核聚變懸疑》一文),最早也要等到 2026年才能開始核聚變實驗研究。工程人員至少需要十年時間對 ITER進行測試,然後才能開展下一步工作。在這個項目中,他們計畫將把電漿束縛在“磁瓶”里,最終建成一個可輸出淨能量的核聚變反應堆實驗原型。要 看到能直接向電網輸送能源的反應堆開始運行,那是下一代人的事了。與此同時,人類社會對能源的胃口卻永無止境。“全世界對能源的需求都如此巨大,增長都如 此迅速,迫使我們必須另闢蹊徑,”美國國家點火裝置(National ignition Facility,NIF)主管愛德華·摩西(Edward Moses)說。(NIF位於美國加利福尼亞州的利弗莫爾國家實驗室,是美國主要的核聚變實驗裝置,它將多束雷射聚焦於很小的靶丸上引發核聚變反應。)理 論上,聚變電站可以提供這樣的一條“蹊徑”。這種電站以存在於普通海水中的重氫為原料,不產生任何有害排放──沒有煙塵、

簡介

然而實際上,核聚變大概不會如物理學家期望的那樣改變世界。事實證明,觸發和控制核聚變進行自持反應(self-sustaining,指聚變產生 中子數等於消耗中子數,使得反應平穩持續)所需的技術極為複雜。除此之外,第一代聚變反應堆肯定會價格不菲,本世紀內無法廣泛套用。

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摩西等人認為,能最快接近核聚變的途徑莫過於“雜交技術”,即用聚變反應來加速核廢料中的裂變反應。在這種被稱為“雷射慣性聚變引擎”(laser inertial fusion engine,LIFE)的方法中,大功率雷射束將能量聚焦在很小的靶丸上,能量衝擊將點燃初級核聚變反應,聚變產生的中子向外傳播,擊中外面包裹的裂變 物質殼層,殼層可以是來自核電站的乏燃料(spentfuel,使用過的燃料),也可以是軍事上常用的貧

鈾(depleted uranium)。放射性廢料在中子的轟擊下會觸發更多衰變,釋放出可用於發電的熱,同時加速廢料本身向穩定物質的轉變(從而解決了核廢料的處理問題)。 摩西稱,他能在 2020年之前製造出一台基於 LIFE的工程原型,並在2030年之前實現併網發電。

換句話說,可以利用核聚變的實用反應堆距離現在,真的只有 20年了。

科學研究

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核聚變的啟動能量來源也是核聚變中也是很重要的,自從1994年被稱為“國家點火設施”的雷射核聚變計畫被正式簽發以來,美國科學家便將希望寄托在在這國家點火裝置(NIF)上了。國家點火裝置(NIF)位於美國加利福尼亞州勞倫斯一利弗莫爾國家實驗室,有850名科學家和工程師。另外大約有100名物理學家在那裡設計實驗。國家點火裝置(NIF)長215米,寬120米,大約同古羅馬圓形競技場一樣大,是目前世界上最大和最複雜的雷射光學系統,它將模擬同太陽和其他恆星內部相似的條件,使氫原子核發生聚變形成氦核,並釋放能量,其目的是成為第一個突破平衡點的設施,即雷射在聚變反應中產生的能量大於它們所消耗的能量,從而在實驗室條件下實現人類歷史上的第一次聚變點火。NIF注入雷射系統由主振室、預放模組、輸入探測包和預放光束傳輸系統四部分構成,負責產生全系統的種子脈衝,經過時間和空間整形、位相調製、放大和分束後,實現焦耳級輸出。它將192條雷射束集中於一個花生米大小的、裝有重氫燃料的目標上。每束雷射發射出持續大約十億分之三秒、蘊涵180萬焦耳能量的脈衝紫外光——這些能量是美國所有電站產生的電能的500倍還多。當這些脈衝撞擊到目標反應室上,它們將產生X光。這些X光會集中於位於反應室中心裝滿重氫燃料的一個塑膠封殼上。NIF研究人員估計,x光將把燃料加熱到一億度,並施加足夠的壓力使重氫核生聚變反應。釋放的能量將是輸入能量的15倍還多。

國家點火裝置已經基本上完成了其建設工作,它將於2009年3月竣工。屆時,研究人員將開始準備為聚變點火,第一次實現暫定於2010年,核聚變實驗定於2011年。調試工作包括進行一系列最佳化和測試實驗,以獲取點火實驗所必需的關鍵雷射參數和點火靶參數。這些調試工作將在第一次點火打靶前完成。點火實驗對靶工作性能的要求主要體現在:力能學性能、對稱性,激波時序以及靶丸流體動力學。研究人員推測,一旦核聚變實驗成功,我們將有可能在2020年建成第一座核聚變發電廠,而在那不久後,其會很快的商業化。在那一天,科學家們這幾十年來追尋的夢想,將成為現實。

開發進展

成都核工業西南物理研究院在受控核聚變實驗裝置——中國環流器二號A裝置上首次實現了偏濾器位形下高約束模式運行。專家指出,這是我國磁約束聚變實驗研究史上具有里程碑意義的重大進展,標誌著中國磁約束聚變能源開發研究綜合實力與水平得到了極大提高。

位於成都的核工業西南物理研究院在受控核聚變實驗裝置——中國環流器二號A裝置上首次實現了偏濾器位形下高約束模式運行。

專家指出,這是中國磁約束聚變實驗研究史上具有里程碑意義的重大進展,標誌著中國磁約束聚變能源開發研究綜合實力與水平得到了極大提高。歐洲物理學會主席華格納等國際著名聚變專家聞訊後紛紛向中國科學家表示祝賀。

磁約束核聚變是利用強磁場約束高溫高密度電漿,從而產生可以控制的核聚變反應。按照普通的低約束模式運行,其裝置規模極為龐大,加熱及控制技術難度極高,建造及運行成本極為昂貴。高約束模式是實現聚變能源開發的關鍵一步,一直是核聚變科學領域的前沿研究難題。正在規劃建設中的國際大科學工程――國際熱核聚變實驗堆將採用高約束模式運行。國際上只有美國、日本、歐洲的一些裝置能實現高約束模式運行。

實現高約束模式運行,需要包括加熱、控制(包括位形、密度、雜質、再循環控制的改善)、電源、器壁處理、偏濾器抽氣及診斷等能力同時達到較高水平。

中國科學家致力於實現高約束模式的研究,進行了大量艱苦細緻的工作。在國家有關部委的支持下,核工業西南物理研究院堅持自主創新,在中國環流器二號裝置上完善了實驗條件,進一步提高了裝置性能。繼2003年實現偏濾器位形放電後,又瞄準聚變前沿領域,自主研製了中國國內輸出功率最大的中性束和電子迴旋加熱系統,在中國環流器二號A裝置上首次實現了高約束模式運行。

核物理學家、中國科學院資深院士李正武說,實現高約束模式運行為開展國際聚變界熱點問題的研究創造了一個全新的平台,為更高水平的研究創造了條件,必將加快中國聚變能源研究的步伐。

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