美國投35.5億建造「人造太陽」

  日前,被譽為“人造太陽”的美國國家點火裝置(NIF)完成了首次綜合點火實驗———192束激光系統發射的能量打造出600萬華氏度高溫,這相當於恆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)。研究人員不惜代價不僅為了研究如何“駕馭太陽的能量”,這個計劃還承載著人類的清潔能源之夢。

  在加利福尼亞州利弗莫爾國家實驗室,一座神秘的建築物仍在修建中。過去十多來年,這個龐大的建築物一直是環保主義者關注的焦點。然而,2011年11月2日,這裡進行的一次點火實驗震動了科學界。因為作為世界上第一個能產生持續核聚變的反應堆,“人造太陽”一旦成功將改寫人類的歷史。

  地球上造“小太陽

美國“人造太陽”建造基地

  現今人類可利用的最大、最具商業價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,把鈾或鈽等重原子分裂成輕原子,導致其釋放大量能量的核反應方式。但是國家點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。核聚變是指由質量輕的原子,主要是指氘或氚,在高溫高壓下,發生原子核互相聚合作用,生成新的質量更重的原子核,並伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。太陽發光發熱就是利用核聚變產生的能量。

  與核裂變相比,核聚變不僅安全,而且相對環保。利弗莫爾國家點火裝置曾對媒體說:“太陽產生的光和熱抵達地球,不會產生任何放射性的副產品,而且能長期高效的生產。如果把太陽換成我們正在研究的核聚變反應堆,就等於在地球上建造了一個提供清潔能源的小太陽。”

  釋放1.3兆焦耳能量

  目前,這個“小太陽”已經初具規模,並且已經進行了令人鼓舞的試驗,獲得了寶貴的試驗數據。利弗莫爾國家點火裝置的一個科研組說,11月2日他們向核聚變反應堆中心發射192束激光束,用它們瞄準一個只有花生大小卻包含氘和氚氣體的小球體。這個小球體釋放的能量高達1.3兆焦耳,其核心最高溫度大約是600萬華氏度。

  國家點火裝置主管愛德華 摩西說,儘管這次試驗沒有能夠達到太陽中心溫度2700萬華氏度,也沒有引發期待中的持續性核聚變反應,但這些試驗結果依然非常振奮人心。“試驗讓我們相信,我們一定能實現氘和氚核聚變目標物裡的點火條件。”。

  要想實現核聚變燃燒,首先必須點燃由氫的同位素氘和氚構成的特殊燃料。

加利福尼亞州利弗莫爾國家實驗室基地

  20世紀70年代,科學家開始利用強大的激光束進行試驗,壓縮和加熱氫的同位素,使其達到熔點,這一技術被稱作慣性約束核聚變。激光發射器的作用就是促使這種核聚變快速和持續產生,包含氘和氚氣體的目標物受到外部的刺激後,將發生爆炸形成衝擊波,進一步加快目標物核心的燃燒,這種燃燒的持續性也更長。

  一旦這種核聚變成現實,國家點火裝置內靶室的溫度會超過1億華氏度,內部壓力將超過地球大氣壓的1千億倍。國家點火裝置主管愛德華 摩西說:“為了在實驗室裡產生核聚變燃燒,我們進行了長達10年的研究。目前利用核聚變或核裂變產生能量的核電站,在過去50多年已經讓發電量大幅增加,但迄今仍未證明利用氘和氚氣體融合後持續燃燒產生能源的方法可以投入使用。”因此摩西說,“人造太陽”試驗的意義不言而喻,“一旦我們掌握了實現太陽內部核聚變的技術,我們的子孫後代將享受到科技發展帶來的飛躍,能源短缺的時代將一去不復返。”

  “人造太陽”技術可行性高、應用前景廣闊

  實際上,除了美國的“人造太陽”計劃,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。

  國家點火裝置“人造太陽”中的核反應堆目標物是氘和氚,氘可以利用並不複雜的技術,從海水裡萃取;氚在金屬鋰中存在,鋰則是土壤裡的一種常見元素。所以氘和氚在現實中的開採和利用,相比核裂變要使用到的鈾或鈽更為簡單易行。

  國家點火裝置在其網站上對氘和氚的利用前景作了形象的對比。他們舉例稱,由於海水中包含氘元素,經過一定的轉化,1加侖海水可提供相當於300加侖汽油產生的能量,50加侖海水產生的燃料所含的能量,相當於2噸煤。“它們很環保,大規模應用後,可以減少對化石燃料的使用,從而大大降低碳排放量。”

“人造太陽”正在建造之中

  更為重要的是,氘和氚沒有鈾或鈽那樣劇烈的放射性,未來使用它們做反應堆生成的放射性副產品,也比當前核裂變核電站少。

  國家點火裝置的官員估計,使用核聚變反應堆的發電站將在2020年開始運行,到2050年將有25%的美國民用能源由核聚變提供。

  130噸重目標靶室是核心

  從上世紀90年代後期開始,利弗莫爾國家實驗室就開始建造“人造太陽”,至今整個計劃已投入約35.5億美元。11月2日進行的綜合點火試驗是迄今以來最成功的一次試驗。未來,還有更複雜和更具挑戰性的試驗在國家點火裝置裡上演。

  國家點火裝置是一棟10層樓高的建築物,其面積相當於三個足球場。媒體稱,這個點火裝置是世界上最大的激光科學建設項目,因而成為全球“人造太陽”試驗的中心,承載著人類利用新能源的夢想。國家點火裝置控制室有一套十分先進的電腦自動控制集成系統,它模仿了休斯敦美國宇航局的任務控制中心,被稱為史上科學儀器設計最複雜的自動控制系統之一。

  國家點火裝置內部設有130噸重的目標靶室,這是“人造太陽”計劃最核心的部分。靶室裡的中心孔洞直徑達10米,用30厘米厚的混凝土掩埋,旁邊有192個激光器向其中發射中子,以點燃反應堆,並促使包含氘和氚氣體的玻璃物目標產生極大的高溫和高壓。

  這個靶室的條件將接近或達到太陽內部核聚變反應時的條件。電腦自動控制集成系統保證了試驗的穩定性,因為850台電腦使激光器發射激光的間隔不超過50微秒。




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