映象网首页 新闻 财经 娱乐 女性 婚嫁 旅游 美食 汽车 房产 家居 教育 健康 中医 科技 法制 三农 城建 收藏 公益 商城
加速乐

映象首页 > 科技频道 > 正文

人造太阳:一场科学家的“造星运动”

2015-11-29 来源:映象网

[摘要] 摘要: 全世界科学家都在等待那一刻。上百条高强激光束同时“开箭”,射向一个由氘和氚两种氢原子组成的“燃料球”靶件。“中箭”的靶件将瞬间达到上亿摄氏度的高温,引发氘……

摘要:全世界科学家都在等待那一刻。 上百条高强激光束同时“开箭”,射向一个由氘和氚两种氢原子组成的“燃料球”靶件。“中箭”的靶件将瞬间达到上亿摄氏度的高温,引发氘和氚初始的聚变反应,产生热能会维持接下来的链式反应。如同烧柴一样,火点着了,柴就会自行燃烧下去。这场备受期待的“燃烧”可不是谁家的锅炉灶台,而是一台代号为“W7-x”的 “仿星器”(Stellarator)。

nHBVqVTG.jpg

W7-x仿星器 图片来自网络

作为核聚变反应研究设备,它更为人知的名字是“人造太阳”。太阳的光和热都从热核聚变反应而来,如果人类效仿这个原理,制造一个“可控”的“太阳”,就有望为解决地球能源危机找到新的出路。

此刻,W7-x正待在德国马克斯·普朗克研究所(简称“马普所”)的大型实验室里,一边接受最后的检测,一边等待德国核能源管理部门批准它的下一步行动。

如果一切顺利的话,就在本月内,它将成为核聚变能量可控使用研究领域的一颗新星,照亮人类的能源出路。

这个身价10亿欧元的“高富帅”能耐得住1.5亿摄氏度高温

在德国东北部城市格赖夫斯瓦尔德,W7-x静静趴在实验室一角。

它高3.5米、宽约16米,看起来像个扭来扭去的大圆环,银色的表面坑坑洼洼,布满大小不一、各种形状的元器件。

这位“高富帅”身价10亿欧元,内部有20个平面磁线圈和50个非平面磁线圈。

马普所的工作人员投入了19年、110万个工时,到2014年5月才完成了它的建设。超级计算机给它用上了有史以来最复杂的工程模型之一,连焊接都由激光扫描检测,组装精度达到毫米级。

费这么老大劲,是因为 W7-x必须扛住极高的温度和极大的压力,这些正是核聚变反应条件。

核聚变原理并不复杂:当两个质量较轻的原子核聚合为一个较重的新原子核时,大量电子和中子能够逃离原子核的束缚,带来巨大能量。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变。

实现这个原理则需要高温与高压,才能让两个原子核相互吸引而碰撞。

这活儿太阳自个儿就能搞定。它的中心温度高达2000万摄氏度,自身重力强大,能形成高压状态,使核聚变得以发生并持续。可要在地球上模拟太阳,由于引力太小、压力不够,核聚变需要在超过1亿摄氏度的温度下才能进行。

在这个温度下,任何固体材料都将被熔毁,但超导磁线圈会用磁场形成“笼子”,让可怕的“猛兽”——高温等离子体在有限体积内运行,完全不与“人造太阳”的腔壁接触。根据设计方案,W7-x能耐得住1.5亿摄氏度高温,长达30分钟。

身为目前全世界最大、“版本”最新的仿星器,W7-x被研究人员寄予厚望——实现核聚变能量的可控使用。

人类对于核聚变能量的使用,是从“不可控”开始的。

第二次世界大战期间,美苏加快对核武器的研制。1945年爆炸的首颗原子弹采用了核裂变原理,不到10年,应用核聚变的第一颗氢弹也爆炸了。

这种能量的瞬间释放会造成极大的破坏,只能应用于战争。让核能释放长期、持续、安全、和平地进行,关键就在于核反应的可控性。

直到1985年冷战末期,美苏元首才共同发表一份不包含任何实际承诺的联合声明,结尾表示“在核聚变能方面进行最广泛的切实可行的国际合作”,用核聚变为人类造福。

核裂变的可控性在“曼哈顿计划”时代已经解决。1954年,苏联就建成了第一个核电站。

而从不可控的氢弹爆炸到可控的核聚变能源利用,注定要走一条很漫长的道路。

核聚变产生的能量远在化石能源与核裂变反应之上,且清洁安全

“核聚变让人着迷。”为“国际热核实验反应堆”项目协调奔走多年的韩国科学家李秀景说,“就像中世纪的人们追寻炼金术一般,它是能源研究的 圣杯 。”

地球上的能源危机早已出现。人口增加、工业发展等压力使能源消耗更加迅速。几乎所有国家的发展都依赖煤、石油、天然气等化石能源,而其燃烧引发的温室效应、酸雨现象又对人类生存环境造成严重破坏。经过长期开采,化石资源日趋枯竭。

人们拼命寻找替代能源,并越来越重视核能的应用。当前,核电站或核能发电厂的能量来源是核裂变,其能量产生过程与核聚变相反。

1千克铀-238全部核裂变将产生2万兆瓦小时的能量,与燃烧至少200万千克煤释放的能量一样多。

#p#分页标题#e#

但核裂变利用有几个弊病——原料稀有、资源有限;产生放射性元素、废料无法安全处理;最可怕的就是可能产生核泄漏。不少国家现在已经着手限制和缩减核电站。

前美国能源部首席科学家雷蒙德·奥巴赫曾表示,自己对世界未来的能源需求感到惊恐:“从哪儿弄这么多能源?”

在研究者眼中,核聚变是满足世界能源需求的唯一希望,是一颗能源新星。

据计算,1千克氢燃料经过聚变反应,至少可以抵得上4千克铀燃料或1000万千克优质煤燃料。

比起稀少的核裂变原料,每升海水中就含有0.03克氘,总计45万亿吨。它们都聚变的话,能保证人类上百亿年的能源消耗。

无论反应前后,核聚变需要的和产生的都是无害元素,清洁安全。氘的提取方法也比较简便,成本较低。

“核聚变不会释放二氧化碳,基本上取之不尽用之不竭,还不会对环境造成影响……你还能找到比它强的吗?”雷蒙德·奥巴赫说。

只要将氘、氚原子注入反应堆密封装置,再进行“点火”,经过一段时间,核聚变产生的温度就足够令原子核继续发生聚变。在这个过程中,只要氦原子核和中子被及时排除,输入新的氘氚混合气,核聚变就能持续下去。产生的能量一小部分留在反应体内,维持链式反应,大部分可以输出,作为能源来使用。

这幅和谐的画面始终吸引着各国科学家。尽管质疑者们常常开玩笑说,这项奇迹永远都是“还要再等30年”,但支持者们坚信,人类离这样一个清洁而且几乎是无限的能源已经越来越近。

在艰难的准备工作后,“人造太阳”终于完美通过检测,等待点火

在近乎完美的理论架构之下,可控核聚变的实际研究进程经历了难以想象的坎坷艰难。

在得到世人瞩目之前,W7-x的星路并不平坦。

目前,最常见的核聚变反应堆设备并不是W7-x所代表的仿星体,而是与它十分相似的兄弟——托卡马克(Tokamak),同属“国际热核实验反应堆”项目。

项目设立之初,美国、苏联、日本和欧洲共同参与,体量庞大,运用了当时最先进的技术。在之后的几十年里,尽管成本翻倍、设备制造协作不畅、完工日期一拖再拖,但科学家们还是往前走了一大截。

然而,比起W7-x,托卡马克装置设计存在一些安全风险,有可能释放强大的磁场力击毁整个反应堆。这样的缺陷即使在最新露脸的类球形托卡马克设计中依然存在。

有人认为,托卡马克能够检验核聚变是否可行,但它不能证明核聚变是否可以商业化运行。它在实验中运行良好,但电站需要的是简单、易维护。英国原子能管理局首席执行官史蒂文·考利就曾表示,“无法想象一台到处叮叮咣咣的机器怎么能日复一日稳定工作。”

在科学家们为托卡马克的瓶颈发愁时,仿星体W7-x以一匹黑马的姿态出现在人们的视野中。

首个仿星器于1951年在普林斯顿大学建造,从根本上避免了托卡马克的问题:磁场完全来自外部线圈,没有会突然中断的等离子体电流。但受限于当时的技术,仿星器对粒子的有效约束远不如托卡马克。因此,从上世纪70年代开始,大多数核聚变研究都聚焦于后者。

2014年5月,在经历了险遭取消、预算上调等重重波折后,W7-x宣告完工。作为一颗“优化升级”的“新星”,从理论上讲,它可以在增添安全性和稳定性的基础上,达到前辈所具有的一切性能表现。

在过去一年内,这颗“小太阳”在各种调试检测中都表现良好。今年7月,它还早于原计划进行了磁场的电子束测试。负责这项工作的马普所科学家表示,一切完美而精确。

真正的最终检验是点火那一刻。科学家们期待,这颗新星的“燃烧”能照亮他们未来的研究进程。

在探索核聚变可控的道路上,,这个万众瞩目的时刻也注定只是一簇火花。未来,它还要满足人们“民用化、小型化和经济型”的期待。

有人说,几十年来的尝试充分说明核聚变是一条死胡同,付出心血的科学家们却依然坚定。

“我是搞技术的,只关注技术方面的事情,只考虑需要做些什么让它在未来发挥作用。我不会去说花了几十年才走到这一步。”斯蒂文·考利说,“要知道,人类整整用了3000年才会飞。”

<上一页 下一页>
(责任编辑:映象网科技频道)
分享到:

文章关键词:人造,太阳,一场,科学家,造星运动

为您推荐
+ 加载更多新闻
阅读下一篇

半年预亏8亿港元 酷派路在何方?

本以为和乐视的合作能够帮助酷派这个老牌手机品牌走出泥淖,但从现状来看,酷派的复兴还有很长的路要走。就在4月21日,酷派发布公告称,截止2017年3月31日经营亏损约为港币4.6亿元

返回频道首页订阅频道