无尽的能源

2014-7-11 11:12:00作者:佚名来源:转载查看评论0条)字号:

 1952年11月1号,太平洋,马绍尔群岛,艾尼维塔克珊瑚礁。人类历史上威力最大的一颗炸弹在这里爆炸,将一个珊瑚礁岛从地图上永远地抹去。那颗炸弹重达70吨,但是却放出了相当于1040万吨TNT炸药爆炸的能量,是二战中投到长崎那颗原子弹的450倍。

    这就是氢弹。历史上第一次,人类在地球上制造出了太阳。

    氢弹瞬间释放出的巨大能量,只会让人们感到这种终极战争武器的恐怖;而五十四年之后的2006年,七个国家和地区联合起来试图将氢弹的威力缓缓释放的实验,将可能消灭由于能源而引发的战争。这是历史上耗资最高的科研项目之一,现在正在法国一处风景优美的景区建设当中。它在未来十年内将开始一系列实验,并且很可能会在2050年之前,供给我们近乎无限、成本接近于零的电能。

    科幻般的核聚变发电,离我们已经不再遥远。 

巨变瞬间

    让我们将时间拉回到上个世纪的这个时候。当时,英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)刚刚获得了诺贝尔化学奖——没错,是化学奖,因为他证明了放射性是原子自然衰变的结果。没有获得诺贝尔物理学奖让卢瑟福不太满意,但是他依然继续自己的研究,其中一项就是那个后来被称为“物理最美实验之一”的α粒子散射实验。在曼彻斯特大学进行的这个实验使用放射性元素射出的α粒子——也就是氦原子核——去轰击一片金箔,然后根据α粒子打在荧光屏上的位置来判断它们的路径。卢瑟福和他的研究团队发现,绝大部分α粒子并没有改变路径,像一枚炮弹打穿纸片般直直向前撞击在荧光屏上发光;少数α粒子出现了一定程度的偏转,但是还有极少量的α粒子偏转角度极大,甚至掉头而去。这一现象让卢瑟福开始思考,他认为原子中应该会有一个很小的核,但是占了原子绝大部分的质量。

    这种设想和传统认为的原子结构并不相同。在当时,人们对于原子的结构有两种主要看法:一种是英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊(Joseph John Thomson)提出的模型,认为原子是一个半径约0.1纳米的球体,正电荷均匀地分布于整个球体,电子则像葡萄干镶嵌在面包上一样,稀疏地嵌在球体中;另一种是日本物理学家长冈半太郎(Nagaoka Hantaro)提出的模型,他认为带负电的电子不能与正电荷混合起来,因此在他的模型中,电子均匀地分布在一个环上,环中心是一个具有大质量的带正电的球,像是土星的模样。

    1912年,卢瑟福发表了他的成果,以α粒子散射实验的结果来辅以证明。他认为,原子核居于原子中央,直径大约是原子直径的万分之一,体积只相当于原子体积的万亿分之一。也就是说,如果说原子的直径有一个足球场那么大,原子核的大小大约只相当于球场中央的一粒玻璃跳棋,而它却占据了原子绝大部分的质量。这是我们目前依然使用的原子模型,虽然后来又有了一些变化,但是原子核,依然是紧密的那一个小点。

    在卢瑟福的时代,人们只知道重原子会因为不稳定而裂变,却不知道最稳定的元素,并非具有最轻的原子。核聚变的理论基础,由1922年诺贝尔化学奖获得者,同是英国人的物理学家兼化学家弗朗西斯·威廉·阿斯顿(Francis William Aston)发现。1925年,借助自己发明的质谱仪,阿斯顿发现在任何原子中,原子核的质量都要比组成该原子核的所有质子和中子的质量总和要少一点。这种现象叫做“质量亏损”,是因为质子和中子在结合成原子核时,部分质量转变成了结合能。铁这样的中等质量原子核核子的平均结合能较大,他们比较稳定;而重元素原子核的平均结合能较小。根据爱因斯坦那个著名的质能方程,重原子核在分裂成中等质量的原子核时,将会有一部分结合能释放出来,这种就是核裂变;而氢这样的轻原子,其核子结合能甚至比一些重元素更大,某些轻核结合成质量较大的原子核时将能放出更多的结合能。这就是核聚变。

    但是,要让轻原子核之间结合,并不容易。所有的原子核都带正电,彼此之间受到被叫做“库仑力”的静电力作用。库仑力让原子核相互排斥,而且原子核之间的距离越近,斥力越强。就像是将两块磁铁的同一极相对一样,彼此之间的斥力让原子核在日常环境下没有办法结合在一起。在过去,只有像太阳那样的恒星,才会提供足够的压力和温度,将轻原子核压到相当靠近的程度。

    有趣的是,质子同样带正电荷,但是多颗质子却可以在一个原子核中共存,似乎不会受到库仑力的影响。之所以出现这种情况,是因为在原子核中还存在一种更强的、被称为“核力”的吸引力。核力能够发挥的距离有限,仅仅在原子核这样的微小尺度上才会表现出来。

    当原子核之间距离越来越近时,库仑力所带来的斥力将会突然败给核力,两颗离得很近的原子核突然合体,华丽变身为一种新的元素,同时放出大量的能量和核子。

    我们要利用的,就是这些能量。 

传奇诞生

    同等质量的轻元素聚变产生的能量比重元素裂变放出的能量大得多,而产生的辐射也少得多。对环境保护的考虑也是人们努力发展核聚变技术的原因之一,虽然它还及不上对能源的需求。化石能源的逐渐耗竭已经是人所共知的事实,而风能、太阳能等可再生能源在目前来看,也无法完全满足人们对能源的渴求。核聚变发电,是能源的明日之星。

    宇宙中最轻的元素是氢,它的原子核只有一个质子。它的两种同位素氘和氚,虽然也都只有一个质子,但是却分别拥有一个和两个中子。核聚变,主要依靠的就是这两种同位素。

    在某些情况下,当两颗氘原子核结合时,将会变成一个氚原子核,放出一个质子和3.03兆电子伏特的能量;另一些情况下,将会变成有两个质子和一个中子的氦3原子核,放出一个中子和2.45兆电子伏特的能量。而氘原子核和氚原子核结合,将会产生一个氦4原子核,放出一个中子以及14.06兆电子伏特的能量,而氘原子核和氦3原子核结合,会成为一个氦4原子核,放出一个质子和14.67兆电子伏特的能量。我们现在谈到的核聚变,就是指这四种反应。

    核聚变的原材料很容易找——地球上氘的含量并不算少,每一万个氢原子中就有一个是氘原子。在最好的情况下,每升海水中的氘聚变能够放出的能量,相当于燃烧300升汽油;而一个百万千瓦的核聚变电厂,每年只需要600公斤原料,但一个同样规模的火电厂,每年将需要210万吨燃料煤。

    虽然氚在地球上并不存在,但是我们可以通过用中子轰击锂元素的方法来制造它。氦3是目前最理想的核聚变原料,虽然在地球上也找不到,但是在我们举目可及之处却大量存在——在月球、土星和火星上,氦3的含量足够人们随心所欲地挥霍数十万年。

    现在的我们,就像是站在四十大盗藏宝洞之前的阿里巴巴,唯一所缺乏的,就是一句开门的咒语。幸好,我们已经快要猜到那句咒语,一段传奇,即将在眼前展开。

璀璨的双星

    我们知道,在地球上看到的物质,绝大部分以三种状态存在:固态、液态和气态。这三种状态会因为温度的不同而相互转化,当气体的温度再升高时,将会转变为一种新的物质形态:等离子态。在宇宙中,等离子态是物质最常见的形态,其质量大约占了整个宇宙可见物质质量的99%以上。在等离子态中,原子将被打破,原子核和电子将会彼此分离。只有在这种状态下,核聚变才会发生。在高温高压下,太阳的核心数十亿年来一直在发生这样的聚变反应,将轻元素转化为较重的元素,将大量的质量变成光和热洒向宇宙空间。

    但是,太阳中心的温度高达1500万度,压力巨大得难以想象。在这种情况下,原子核的运动能力才会够强,强到足以冲破彼此之间库仑力的巨大阻碍。而如果要控制核聚变能量缓缓地释放,压力并不能太高,以免同时进行的聚变反应过多而失控。压力降低,则要求温度升高。受控核聚变的温度要求高得惊人,往往需要上亿度高温才行。很明显,在地球上并没有任何固体物质能够经受这样的高温。如何获得这样的温度,和如何在这样的高温下控制原子核,是受控核聚变需要解决的两个主要问题。

    上亿度的高温,没有办法通过常规的方式获得。现在人们使用电磁波来对等离子体加热,例如使用微波或者激光;而对高温等离子体的控制,也有两种常用方法:磁约束,或者惯性约束——等离子体中那些带正电的原子核和带负电的电子,可以容易地通过电磁场分离开来。也正是因为这样的特性,人们开始尝试使用电磁场来束缚这些高温的等离子体,将它控制在我们所希望的区域之内。

    1938年,美国首先提出了使用磁场束缚高温等离子体的思路,但是在这方面首先成功的,却是苏联。1954年,莫斯科的库尔恰托夫研究所制成了第一个这类装置,命名为托卡马克(Tokamak)。这是个生造的词,来自环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka))四个词的拼合。它的主体是一个甜甜圈形状的真空室,外面布满了线圈用以产生磁场。当线圈通电后,将会在真空室内产生强烈的磁场,从而束缚住带正电的高温等离子体,并且与外界尽可能地绝热。在1958年的“和平利用原子能”会议上公开托卡马克装置后,各国纷纷仿效,建立起自己的托卡马克装置。1968年,苏联的T-3托克马克获得了远远超过其他设备的性能,更进一步奠定了这种装置广泛使用的基础。从上世纪七十年代开始,在国际联合开发核聚变的协议下,这个领域理论和实践发展的速度,只有微处理器行业可以与之相比。现在托卡马克装置的理论已经较为成熟,更大规模的实验也正在酝酿当中。

    托卡马克采用微波加热,而采用激光加热的核聚变装置大都属于“惯性约束装置”范畴。去年5月29日,美国国家点火装置(NIF,National IgnitionFacility)正式落成,这是世界上最大的点火装置,能够将192束激光聚焦于一点,瞬间放出两兆焦耳的能量。这些激光的靶点,则是一个直径只有两毫米的金属空心小球,其中装满了氢的同位素。

    这个小球是人类能够制造出来的形状最完美的球体之一。当192束激光同时击中这个小球时,金属外壳将会瞬间蒸发,产生的反作用力将填充的氢同位素瞬间加温加压到如同在太阳核心的程度,产生一个持续了十亿分之五秒的小太阳,同时放出多得难以想象的能量。这是另一种产生受控核聚变的方式,虽然目前看起来还不太成熟——如果要产生持续的能量供应,需要每秒钟引爆十颗左右的小球,但是目前每天只能引爆一颗。但是这不用担心,技术发展总比我们想象中要来得快得多。

终极实验

    在法国南部那个风景秀丽的旅游区卡达拉舍(Cadarache),ITER正在建设当中。这个全称是“国际热核聚变实验反应堆”(International Thermonuclear Experimental Reactor)的装置,到目前为止世界上耗资最高的科研项目之一。2006年,欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度七方合作签订了ITER实施协定,试图以十二年的时间和上百亿美元的投入,将利用无尽的核聚变能源的梦想,变成现实。

    ITER的核心是历史上最大的托卡马克装置,由超过1万吨的特殊合金制造成的超导线圈来提供磁场约束,以此来进行氘氚聚变反应。聚变反应释放出的不带电的中子,将携带着恐怖的高能量离开磁场,将能量传递给厚重的钢板和其中紧密排列的水管,而这些加热过的水,将驱动发电机发电。

    在官方目标中,ITER是要“证明聚变能源的科学和工程上的可行性”。这个目标有几层含义,其中最重要的是要产生的能量比输入的能量更多。目前世界上最大的托卡马克装置是欧洲的JET,但是即使是它,产出与输入的能量之比也只有0.65,输出小于输入。ITER的目标是输出能量达到输入能量的十倍,或者在稳定能量输出的情况下,输出比输入高出四倍。

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