日不落能源夢想--人類下一代新核能源展望
http://www.debgrams.com 2004-03-08 14:07 《中華工控網》原創
信息時報
圖為：熱核反應堆的結構裝置究竟有多大？
圖為：“國際熱核實驗堆”計劃(ITER)的宣傳海報：“為了下一代有能源可用，我們需要熱核能。”
此“太陽”天上無，地上有。
自從第一次石油危機以來，世界各國競相發展節能技術，但是人類目前可利用的能源資源畢竟有限，主要能源將在未來幾十年至100多年的時間內枯竭。今后幾十年里，世界各國為爭奪石油資源將不可避免發生國家間的沖突乃至戰爭，最近的伊拉克戰爭就是爭奪石油資源最好的例子。同時傳統能源還會帶來環境問題，如溫室氣體的增加可引起氣候變化等。
而核電站放射性物質泄漏事故，核燃料埋藏處理等終究會給人來帶來隱患。
最近，由中國、美國、歐盟、日本、俄羅斯、韓國參加的國際熱核反應堆合作計劃(ITER)因其最終選址問題再次引起了人們的興趣。這個被稱為人造太陽的熱核反應堆，不僅因為1.3萬億日元的巨大投資引起了人們極大的關注，更因為如能在未來50年內開發成功，將在很大程度上改變目前世界能源格局，使人類今后將擁有取之不盡、用之不竭的清潔能源。
來自太陽的靈感
太陽，高懸九天之上，溫暖而燦爛。其永恒放射的萬丈光焰自古幻為我們祖先崇拜的圖騰，大腦中揮之不去的謎團。斗轉星移，滄海桑田，直到19世紀末，放射性研究的開啟才真正將人類引領到太陽迷宮的門外，而核聚變的發現終于使人類喊出了那一聲響亮的“芝麻開門”。
最初，劍橋卡文迪許實驗室的英國化學家和物理學家阿斯頓，在用自己創制的攝譜儀從事同位素研究時發現，氦-4質量比組成氦的4個氫原子質量之和大約小1%左右。1929年，英國的阿特金森和奧地利的奧特斯曼聯合撰文，證明氫原子聚變為氦的可能性，并認為太陽那千秋噴薄的光與熱皆源自這種輕核聚變反應。
隨后的研究證實，太陽發出的能量來自組成太陽的無數的氫原子核。在太陽中心的超高溫和超高壓下，這些氫原子核相互作用，發生核聚變，結合成較重的氦原子核，同時釋放出巨大的光和熱。于是，科學家設想，如果實現人工控制下氫元素的核聚變反應即受控熱核反應，那么在地球上同樣可以創造出一個個具有不竭能量的人造太陽。
在地球上造太陽并非科學狂人的瘋狂之舉，而是人類自身生存的必需。200年之內，石油、煤、天然氣資源均面臨枯竭的危險。20世紀后半葉，核能利用出現熱潮，各種類型的核電站在世界范圍內得到了異常迅速的發展。但目前所有核電站的原理，都是利用鈾等大原子量的重元素原子核的裂變，來釋放巨大能量的。且不說這種類型的裂變電站引發的核污染噩夢與之創造的能量同樣觸目驚心，單就其主要原料鈾而言，地球的儲量也僅夠維持數百年之用。
因此，人類不得不再次將索求的目光投向太陽，并將最終解決能源需求的希望寄托于受控核聚變的實現和推廣，試圖建設利用氫的同位素氘和氚的原子核實現核聚變的熱核反應堆。
熱核聚變所用的重要核燃料是氘。一座100萬千瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304千克。據測，每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚變產生的能量相當于300升汽油，就是說，“1升海水約等于300升汽油”。地球上海水中有45萬億噸氘，足夠人類使用60億年。
更為可貴的是核聚變反應中幾乎不存在放射性污染，無需擔憂失控，不會發生爆炸，是一種真正無限、清潔、成本低廉和安全可靠的新能源。
其實，人類早已實現了氘氚核聚變———氫彈爆炸，但那種不可控制的瞬間能量釋放只會給人類帶來災難，而馴服核能，使核聚變在人為控制下為人類服務卻是件異常艱難的事。時至今日，人們越來越清醒地認識到，受控核聚變實現之日方是我們真正擺脫能源危機之時。
人造幾億攝氏度高溫
早在1938年，人們就發現了核聚變。然而，距1942年第一座核裂變反應堆建成已半個多世紀了，受控聚變還是遲遲沒有實現有益的能量輸出。
如此舉步維艱的根本原因，是輕元素原子核的聚合遠比重元素原子核的分裂困難得多。
都帶正電的原子核間既彼此吸引又互相排斥，當兩個原子核之間相距只有約萬億分之三毫米時，它們之間的吸引力才會大于靜電斥力，兩個原子核也才可能聚合到一起同時釋放出巨大的能量。而滿足這樣的條件需要的是幾千萬甚至幾億攝氏度的高溫。
人類要和平利用核聚變，必須是可以控制的聚變過程。比較切實可行的控制辦法是通過控制核聚變燃料的加入速度及每一次的加入量，使核聚變反應按一定的規模連續或有節奏地進行。因此，核聚變裝置中的氣體密度要很低，只能相當于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一，而且對能量的約束也要有足夠長的時間。也就是說，我們無法簡單模擬太陽中心那樣高的等離子體密度和上億的溫度，只有追求比太陽中心更高的溫度來解決碰撞幾率問題。創造這樣苛刻的環境在技術上的難度就可想而知。還有，超高溫的等離子體，有強烈地向外擴張的特性，必須有極強的磁場來約束住它們，絕對不讓它們與四周容器壁接觸，試想，怎樣的材料才能裝進“太陽”而不自身化為烏有？
20世紀下半葉，聚變能的研究取得了重大的進展，而托卡馬克類型的磁約束研究更是一路領先，并成為世界上第一座熱核反應堆的設計基礎。
制成能裝“太陽”的容器
這個能將幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質———人造太陽，置入其中的托卡馬克究竟身為何物？
托卡馬克(TOKAMAK)在俄語中是“環形”、“真空”、“磁”、“線圈”幾個詞的組合，即環流磁真空室的縮寫。
曾因成功解釋切倫科夫輻射現象獲1958年諾貝爾物理學獎的蘇聯著名物理學家塔姆，早在20世紀50年代初，就提出了用環形強磁場約束高溫等離子體的設想。
他認為，把強電流產生的極向磁場與環形磁場相結合，可望實現高溫等離子體的磁約束。受這一思想的啟發，前蘇聯物理學家阿奇莫維奇開始了這一裝置的研究。最初，他們在環形陶瓷真空室外套多匝線圈，利用電容器放電使真空室形成環形磁場。與此同時，用變壓器放電，使等離子體電流產生極向磁場。后來又利用不銹鋼真空室代替陶瓷真空室，還改進了線圈的工藝，增加了匝數，改進了磁場位形，最后成功地建成了一個高溫等離子體磁約束裝置。阿奇莫維奇將這一形如面包圈的環形容器命名為托卡馬克。
具有奇特旋轉磁場位形的托卡馬克的出現，使受控核聚變研究取得了重大的進展。自20世紀70年代起，世界范圍內掀起了托卡馬克的研究熱潮。美、歐、日、蘇建造了四個大型托卡馬克，中國科學院物理所繼第一臺小型托卡馬克CT-6于1975年投入運行后，1984年6月，又建成了中國環流1號(HL-1)。2002年12月，中國環流器2號A，在成都核工業西南物理研究院建成并投入運行。
目前，全世界有30多個國家及地區開展了核聚變研究，運行的托卡馬克裝置至少有幾十個。
毋庸諱言，ITER計劃還處于籌備與起步階段，遙望太陽騰空之處依舊是層疊群山。但是，迎接挑戰是人類進步的重要原動力。我們有理由相信，不遠的將來，世界各國的聚變精英定會不負使命，在托卡馬克之中變出個太陽給你看。
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