11月24日 日前,被譽(yù)為“人造太陽”的美國國家點(diǎn)火裝置(NIF)完成了首次綜合點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)———192束激光系統(tǒng)發(fā)射的能量打造出600萬華氏度高溫,這相當(dāng)于恒星或大行星核心的溫度。NIF作為全球最大的激光核聚變裝置,從1997年開始建造起已經(jīng)花掉了納稅人35.5億美元(約合人民幣235億元)。研究人員不惜代價(jià)不僅為了研究如何“駕馭太陽的能量”,這個(gè)計(jì)劃還承載著人類的清潔能源之夢(mèng)。
在加利福尼亞州利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室,一座神秘的建筑物仍在修建中。過去十多來年,這個(gè)龐大的建筑物一直是環(huán)保主義者關(guān)注的焦點(diǎn)。然而,11月2日,這里進(jìn)行的一次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)震動(dòng)了科學(xué)界。因?yàn)樽鳛槭澜缟系谝粋€(gè)能產(chǎn)生持續(xù)核聚變的反應(yīng)堆,“人造太陽”一旦成功將改寫人類的歷史。 地球上造“小太陽” 現(xiàn)今人類可利用的最大、最具商業(yè)價(jià)值的能源無疑是核能。核電站利用核能的原理是核裂變,即在高溫高壓狀態(tài),把鈾或钚等重原子分裂成輕原子,導(dǎo)致其釋放大量能量的核反應(yīng)方式。但是國家點(diǎn)火裝置利用核能的方式則反其道而行之,不是核裂變,而是核聚變。核聚變是指由質(zhì)量輕的原子,主要是指氘或氚,在高溫高壓下,發(fā)生原子核互相聚合作用,生成新的質(zhì)量更重的原子核,并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。太陽發(fā)光發(fā)熱就是利用核聚變產(chǎn)生的能量。 與核裂變相比,核聚變不僅安全,而且相對(duì)環(huán)保。利弗莫爾國家點(diǎn)火裝置曾對(duì)媒體說:“太陽產(chǎn)生的光和熱抵達(dá)地球,不會(huì)產(chǎn)生任何放射性的副產(chǎn)品,而且能長期高效的生產(chǎn)。如果把太陽換成我們正在研究的核聚變反應(yīng)堆,就等于在地球上建造了一個(gè)提供清潔能源的小太陽。” 釋放1.3兆焦耳能量 目前,這個(gè)“小太陽”已經(jīng)初具規(guī)模,并且已經(jīng)進(jìn)行了令人鼓舞的試驗(yàn),獲得了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利弗莫爾國家點(diǎn)火裝置的一個(gè)科研組說,11月2日他們向核聚變反應(yīng)堆中心發(fā)射192束激光束,用它們瞄準(zhǔn)一個(gè)只有花生大小卻包含氘和氚氣體的小球體。這個(gè)小球體釋放的能量高達(dá)1.3兆焦耳,其核心最高溫度大約是600 萬華氏度。 國家點(diǎn)火裝置主管愛德華 摩西說,盡管這次試驗(yàn)沒有能夠達(dá)到太陽中心溫度2700萬華氏度,也沒有引發(fā)期待中的持續(xù)性核聚變反應(yīng),但這些試驗(yàn)結(jié)果依然非常振奮人心。“試驗(yàn)讓我們相信,我們一定能實(shí)現(xiàn)氘和氚核聚變目標(biāo)物里的點(diǎn)火條件。”摩西還稱,美國科學(xué)家有決心在2012年實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。要想實(shí)現(xiàn)核聚變?nèi)紵紫缺仨汓c(diǎn)燃由氫的同位素氘和氚構(gòu)成的特殊燃料。 20 世紀(jì)70年代,科學(xué)家開始利用強(qiáng)大的激光束進(jìn)行試驗(yàn),壓縮和加熱氫的同位素,使其達(dá)到熔點(diǎn),這一技術(shù)被稱作慣性約束核聚變。激光發(fā)射器的作用就是促使這種核聚變快速和持續(xù)產(chǎn)生,包含氘和氚氣體的目標(biāo)物受到外部的刺激后,將發(fā)生爆炸形成沖擊波,進(jìn)一步加快目標(biāo)物核心的燃燒,這種燃燒的持續(xù)性也更長。 一旦這種核聚變成現(xiàn)實(shí),國家點(diǎn)火裝置內(nèi)靶室的溫度會(huì)超過1億華氏度,內(nèi)部壓力將超過地球大氣壓的1千億倍。國家點(diǎn)火裝置主管愛德華 摩西說:“為了在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生核聚變?nèi)紵?,我們進(jìn)行了長達(dá)10年的研究。目前利用核聚變或核裂變產(chǎn)生能量的核電站,在過去50多年已經(jīng)讓發(fā)電量大幅增加,但迄今仍未證明利用氘和氚氣體融合后持續(xù)燃燒產(chǎn)生能源的方法可以投入使用。”因此摩西說,“人造太陽”試驗(yàn)的意義不言而喻,“一旦我們掌握了實(shí)現(xiàn)太陽內(nèi)部核聚變的技術(shù),我們的子孫后代將享受到科技發(fā)展帶來的飛躍,能源短缺的時(shí)代將一去不復(fù)返。” “人造太陽”技術(shù)可行性高、應(yīng)用前景廣闊 實(shí)際上,除了美國的“人造太陽”計(jì)劃,中國、俄羅斯等世界大國目前都在研究類似“人造太陽”的核聚變技術(shù)。 國家點(diǎn)火裝置在其網(wǎng)站上對(duì)氘和氚的利用前景作了形象的對(duì)比。他們舉例稱,由于海水中包含氘元素,經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)化,1加侖海水可提供相當(dāng)于300加侖汽油產(chǎn)生的能量,50加侖海水產(chǎn)生的燃料所含的能量,相當(dāng)于2噸煤。“它們很環(huán)保,大規(guī)模應(yīng)用后,可以減少對(duì)化石燃料的使用,從而大大降低碳排放量。”更為重要的是,氘和氚沒有鈾或钚那樣劇烈的放射性,未來使用它們做反應(yīng)堆生成的放射性副產(chǎn)品,也比當(dāng)前核裂變核電站少。國家點(diǎn)火裝置的官員估計(jì),使用核聚變反應(yīng)堆的發(fā)電站將在2020年開始運(yùn)行,到2050年將有25%的美國民用能源由核聚變提供。#p#分頁標(biāo)題#e# 130噸重目標(biāo)靶室是核心 從上世紀(jì)90年代后期開始,利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室就開始建造“人造太陽”,至今整個(gè)計(jì)劃已投入約35.5億美元。11月2日進(jìn)行的綜合點(diǎn)火試驗(yàn)是迄今以來最成功的一次試驗(yàn)。未來,還有更復(fù)雜和更具挑戰(zhàn)性的試驗(yàn)在國家點(diǎn)火裝置里上演。 國家點(diǎn)火裝置是一棟10層樓高的建筑物,其面積相當(dāng)于三個(gè)足球場(chǎng)。媒體稱,這個(gè)點(diǎn)火裝置是世界上最大的激光科學(xué)建設(shè)項(xiàng)目,因而成為全球“人造太陽”試驗(yàn)的中心,承載著人類利用新能源的夢(mèng)想。國家點(diǎn)火裝置控制室有一套十分先進(jìn)的電腦自動(dòng)控制集成系統(tǒng),它模仿了休斯敦美國宇航局的任務(wù)控制中心,被稱為史上科學(xué)儀器設(shè)計(jì)最復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)之一。 國家點(diǎn)火裝置內(nèi)部設(shè)有130噸重的目標(biāo)靶室,這是“人造太陽”計(jì)劃最核心的部分。靶室里的中心孔洞直徑達(dá)10米,用30厘米厚的混凝土掩埋,旁邊有192個(gè)激光器向其中發(fā)射中子,以點(diǎn)燃反應(yīng)堆,并促使包含氘和氚氣體的玻璃物目標(biāo)產(chǎn)生極大的高溫和高壓。這個(gè)靶室的條件將接近或達(dá)到太陽內(nèi)部核聚變反應(yīng)時(shí)的條件。電腦自動(dòng)控制集成系統(tǒng)保證了試驗(yàn)的穩(wěn)定性,因?yàn)?50臺(tái)電腦使激光器發(fā)射激光的間隔不超過50微秒。
國家點(diǎn)火裝置“人造太陽”中的核反應(yīng)堆目標(biāo)物是氘和氚,氘可以利用并不復(fù)雜的技術(shù),從海水里萃??;氚在金屬鋰中存在,鋰則是土壤里的一種常見元素。所以氘和氚在現(xiàn)實(shí)中的開采和利用,相比核裂變要使用到的鈾或钚更為簡單易行。
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