“复制”太阳之路.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑“复制”太阳之路 随着全球最大的激光核聚变装置在美国正式落成,人工“复制〞太阳的梦想也即将迎来科学上的转折点 《财经》记者 王以超 于达维 在地球上“复制〞太阳,并非天方夜谭 5月29日,全世界最大的激光核聚变装置——国家点火装置(NIF),在美国旧金山郊区的劳伦斯·利弗摩尔国家试验室(LLNL)正式落成,人类朝向这个目标,又接近了一步 该工程副主管爱德华·莫塞斯(Edward I. Moses)告诉《财经》记者,希望该装置于2022年正式运行后,可以很快实现“点火〞,即实现核聚变产生的能量大于激光输入的能量 这一目标假如得以顺利实现,无论是在地球上“复制〞太阳,还是提供能源“终极解决方案〞,都将不再遥远 聚变之梦 人类的文明史,归根毕竟是一部能源利用史工业革命至今200多年的时间内,人类对于能源的利用更是达到了登峰造极的程度:从传统的石油、自然气等化石能源,到太阳能、风能等可再生能源,一向到利用裂变发电的核能 但迄今为止,人们仍无法找到能源“终极〞解决方案最可能的解决方案,或许来自太阳——既然地球仅仅接纳了太阳很少一部分能量的恩泽,就足以孕育众生,那么,假使我们能在地球上人工“复制〞一个太阳,一切不都迎刃而解了吗? 这个看似有些疯狂的想法,在科学上却并不那么荒诞。

在20世纪早期,科学家们就已经发觉,像太阳这样的恒星,之所以能够辐射出如此巨大的光和热,是由于其内部无时无刻不在进行着强烈的核聚变反应在这个过程中,氘、氚等较轻的原子,会聚合成碳甚至铁等较重的原子,并且释放出巨大的能量;而每升海水中提取的氘,在聚变反应中释放出的能量,大约相当于300升汽油 可是,在地球上“复制〞太阳,实现起来却特别漫长由于要“启动〞核聚变过程,就务必制造出与太阳内部类似的极端环境中国科学院上海光学缜密机械研究所(下称上海光机所)高功率激光物理国家试验室总工程师、中国科学院院士林尊琪告诉《财经》记者,在温度达到5000万摄氏度到1亿摄氏度之间的同时,还要保持很高的密度,这些都很难达到 之前,人类只有通过原子弹爆炸,才达到这样的极端条件,这也是氢弹的原理可惜的是,这样一个过程是不成控的 鉴于地球上现存的任何材料都难以抵御这种极度高温,科学家设想出两种奇妙的途径,来迫近这一目标 一种被称为磁约束上世纪70年代,前苏联科学家提出了“托卡马克〞的概念,就是利用环形封闭磁场组成的“磁笼〞,把燃料加热到极高的温度并约束起来,使其不会碰见任何容器壁目前,中国正在安徽合肥运行的EAST装置,以及即将于2022年投入运行的国际热核聚变装置(ITER),都是利用的这一原理。

另一种则是像NIF这样的惯性约束核聚变其原理是利用超强的激光或者其他粒子束,直接照射在用氘氚等做成的燃料靶丸上,靶丸的外层会在瞬间溶化并且向外喷溅由此产生的反作用,就会急剧地向内压缩靶丸的剩余部分,使其中心达到聚变所需的极端条件,实现“点火〞 NIF奇迹 在1994年正式获准上马之后,科学界就对NIF望穿秋水,由于它很可能成为第一个实现“点火〞的可控核聚变装置 根据设计,NIF装置的192束强激光,产生的总能量将高达1.8兆焦耳(1兆相当于1000000)这一能量,比任何现役的激光聚变装置都要高出几十倍 这192束激光,会从两个相对的方向进入直径约10米的靶室中不过,这些激光并不直接照在由氘、氚等核聚变燃料组成的靶丸上,它们是先照在金子做的圆筒状空腔的内部只有硬币大小的空腔,在强激光的照射下会产生大量高能X射线;X射线会像流体一样向中心滚动,从而使得靶丸沐浴在强“X射线雨〞中 林尊琪对《财经》记者解释说,此时靶的中心燃料密度会被压缩到原来的1万倍左右在冲击波的作用下,这一点就会发生核聚变反应;然后,外面的大部分核材料也会发生连锁聚变反应,从而释放大于激光输入的能量。

之所以选择这种方式来实现点火,是由于空腔内部产生的X射线会更加均匀假如各个方向压缩靶丸的能量在大小、时间上不一致的话,就无法达到梦想的向心压缩效果进而实现点火 虽然NIF的总投资,已从最初的10亿美元升至目前的35亿美元,但能顺利建成,仍旧被好多人视为一种奇迹不少业内人士对《财经》记者坦言,其中好多装置,都已经达到了物理以及材料极限 在NIF中,仅高精度大口径光学元件就有7000多件,还有之前从未生产出的高质量KDP晶体、特别的等离子体开关,以及6万多个操纵元件等好多激光器器件,都已经接近了强光运行的极限;再强一些,很可能玻璃就要被打破了 依照计划,NIF将从2022年开头正式运行中国科学技术大学近代物理系教授郑坚在接受《财经》记者采访时表示,根据现有的理论模型预计,这样强的激光能量,应当有很大的把握实现成功“点火〞 不过,他也提醒说,任何设计都不成能没有风险科学家曾经一度十分乐观,认为激光能量达到千焦耳量级,就可以成功“点火〞;到了今天,实现“点火〞的边界已经被抬高到了百万焦耳的水平 群雄并起 当然,实现“点火〞,只是NIF任务之一,它还有其他的使命 1992年,时任美国总统的布什正式签署法案,宣布阻止核试验。

之后,如何确保其巨大核武库的安全以及有效性,并不断加以提升,成了一个十分难办的问题 因此NIF可以产生类似氢弹爆炸的极端环境,这显然为检验核武器提供了难得的平台此外,假如可控热核聚变得以实现,将来的氢弹不必再需要原子弹引爆,研制没有放射性污染的、更为清洁的核武器也就成为可能这一装置同样可以模拟类似恒星内部的环境,科学家们也可以利用NIF,开展相应的基础科学研究 更为重要的是,由于激光核聚变的研究,涉及强激光的研发以及新材料、技术的应用等众多领域因此,除了美国,不少其他大国也纷纷参与战团 与NIF性能最为接近的,是法国正在建造的兆焦耳激光装置LMJ预计于2022年完工的该装置,共有240束强激光,总输入能量同样可达1.8兆焦耳 此外,日本的大阪大学早在1983年,就建成了12束激光的GEKKO XII装置在今年3月完成LFEX升级之后,该装置短脉冲激光的瞬间功率创造了新的世界记录,已经在摸索“快点火〞(fast ignition)机制方面走在了前沿 所谓快点火,就是用一束强激光先轰击靶丸,等其表面开头喷射时,再利用另外一束功率巨大的超短脉冲来“点火〞;其原理,有些类似于普通的汽油发动机。

据悉,欧盟计划于2022年开建的HiPER激光聚变装置,也将利用这一原理来实现“点火〞;预计其总投资,可能要比NIF整整低一个量级 早在1976年,在上海光机所,中国首个激光核聚变装置——六路激光就正式建成并投入使用进入上世纪80年代后,该所又成功地建成了“神光1号〞装置虽然1986年投入运行的“神光1号〞只有两路激光,总能量却提高了一个量级在位于四川绵阳的中国工程物理研究院,“星光〞激光聚变装置也投入使用 2022年,拥有八束激光的“神光2号〞建成投入使用,这个激光总能量约为3千焦耳的装置,正式接替了1994年退役的“神光1号〞此后,“神光2号〞又增加了能量约为3千焦耳的第九路短脉冲激光,以摸索“快点火〞机制 不过,更令人关注的,仍旧是正在建设之中的“神光3号〞神光3号〞设计为60束强激光,总输出能量达60千焦耳;虽然还无法与美国的NIF、法国的LMJ相比,但这仍旧是个不小的飞跃据《财经》记者了解,整个装置有望于2022年最终建成并投入使用 漫长的终点 “神光3号〞显然也不是终点中国科学院院士、国家“863计划〞惯性约束聚变首席科学家贺贤土就曾透露,中国也将启动自己的NIF装置,即“神光4号〞。

据悉,中国政府在《国家中长期科学和技术发展规划》中确定的16项重大专项中,就有惯性约束聚变点火工程假如一切顺利,中国亦有望在2022年前后,实现点火这一科学目标 业内人士告诉《财经》记者,在NIF上,科学家有望获得5倍到10倍的增益即聚变产生的能量,将5倍到10倍于输入的激光能量然而,即使实现这一目标,距离最终的核聚变发电仍旧特别遥远 要产生如此强大的激光,往往电力消耗特别惊人;寻常,从电力转换成激光能,效率往往缺乏10%而核聚变产生的能量,大部分都是以高能中子的形式存在的;包围材料要先将中子能转变为热能,再用来发电,其中又难免能量损失因此,在中国科学院院士林尊琪看来,这种增益要达到几百倍,才可能用来规模化发电 此外,要以百万千瓦的规模连续地输出电能,就需要在1秒钟内实现打靶10次以上而目前,铷玻璃激光器两发之间的时间间隔,往往要以小时计,这显然难以满意未来产业化的要求 很显然,即使NIF上的科学验证取得成功,要真正把聚变能变成一种可以依靠的“终极能源解决方案〞,也要有一段漫长的路程要走,包括新的半导体技术、材料技术的突破等 不过,也有专家提醒说,对于核聚变商业化的前景,亦不必过分悲观。

中国科学技术大学近代物理系教授郑坚对《财经》记者表示,除了激光,目前科学家还在对多种驱动源进行研究譬如德国GSI装置,就是采用重离子束来摸索聚变可能性的;与强激光相比,虽然其成熟度略低一些,但驱动效率更高 更重要的是,一旦惯性约束核聚变在科学上获得验证,鉴于其巨大的商业前景,企业和私营部门也会参与投资者“阵营〞这很可能会带来新技术应用的雪崩,并使得潜在的本金门槛被急速拉低 以美国为例,在NIF之后,就制定了雄心勃勃的LIFE(激光惯性约束聚变能)计划,希望把聚变能真正从试验室推向能源第一线根据劳伦斯·利弗摩尔国家试验室的预计,到2030年前后,第一座商业化的聚变电站就可能成为现实 无论是未来纯聚变的电站,还是能够更好地利用核燃料的聚变-裂变混合电站,都将引发一场能源革命由于与传统核电站相比,聚变电站不仅在运行过程中不会产生放射性污染,并拥有几乎无限的原料供给,同时其单位发电量产生的废弃物,也只有前者的二特别之一左右 最乐观的估计,到2100年前后,美国可能会有三分之二的电力供给都来自LIFE当然,这中间还存在巨大的不确定性但无论如何,对于中国而言,能否同步跟上这场潜在的革命,都是一个不能回避的挑战。

终究,虽然起步并不比美国晚多少,但中国需要补的“功课〞还好多■ — 9 —。