造太阳50年内升起 日不落能源的梦想即将成真

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2005-05-21
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自从第一次石油危机以来,世界各国竞相发展节能技术,但是人类目前可利用的能源资源毕竟有限,主要能源将在未来几十年至100多年的时间内枯竭。今后几十年里,世界各国为争夺石油资源将不可避免发生国家间的冲突乃至战争,最近的伊拉克战争就是争夺石油资源最好的例子。同时传统能源还会带来环境问题,如温室气体的增加可引起气候变化等。而核电站放射性物质泄
漏事故,核燃料埋藏处理等终究会给人来带来隐患。

  最近,由中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国参加的国际热核反应堆合作计划(ITER)因其最终选址问题再次引起了人们的兴趣。这个被称为人造太阳的热核反应堆,不仅因为1.3万亿日元的巨大投资引起了人们极大的关注,更因为如能在未来50年内开发成功,将在很大程度上改变目前世界能源格局,使人类今后将拥有取之不尽、用之不竭的清洁能源。

  来自太阳的灵感

  太阳,高悬九天之上,温暖而灿烂。其永恒放射的万丈光焰自古幻为我们祖先崇拜的图腾,大脑中挥之不去的谜团。斗转星移,沧海桑田,直到19世纪末,放射性研究的开启才真正将人类引领到太阳迷宫的门外,而核聚变的发现终于使人类喊出了那一声响亮的“芝麻开门”。

  最初,剑桥卡文迪许实验室的英国化学家和物理学家阿斯顿,在用自己创制的摄谱仪从事同位素研究时发现,氦-4质量比组成氦的4个氢原子质量之和大约小1%左右。1929年,英国的阿特金森和奥地利的奥特斯曼联合撰文,证明氢原子聚变为氦的可能性,并认为太阳那千秋喷薄的光与热皆源自这种轻核聚变反应。

  随后的研究证实,太阳发出的能量来自组成太阳的无数的氢原子核。在太阳中心的超高温和超高压下,这些氢原子核相互作用,发生核聚变,结合成较重的氦原子核,同时释放出巨大的光和热。于是?科学家设想,如果实现人工控制下氢元素的核聚变反应即受控热核反应,那么在地球上同样可以创造出一个个具有不竭能量的人造太阳。

  在地球上造太阳并非科学狂人的疯狂之举,而是人类自身生存的必需。200年之内,石油、煤、天然气资源均面临枯竭的危险。20世纪后半叶,核能利用出现热潮,各种类型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。但目前所有核电站的原理,都是利用铀等大原子量的重元素原子核的裂变,来释放巨大能量的。且不说这种类型的裂变电站引发的核污染噩梦与之创造的能量同样触目惊心,单就其主要原料铀而言,地球的储量也仅够维持数百年之用。

  因此,人类不得不再次将索求的目光投向太阳,并将最终解决能源需求的希望寄托于受控核聚变的实现和推广,试图建设利用氢的同位素氘和氚的原子核实现核聚变的热核反应堆。

  热核聚变所用的重要核燃料是氘。一座100万千瓦的核聚变电站,每年耗氘量只需304千克。据测,每1升海水中含30毫克氘,30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油,就是说,“1升海水约等于300升汽油”。地球上海水中有45万亿吨氘,足够人类使用60亿年。

  更为可贵的是核聚变反应中几乎不存在放射性污染,无需担忧失控?不会发生爆炸,是一种真正无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源。

  其实,人类早已实现了氘氚核聚变――氢弹爆炸,但那种不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难,而驯服核能,使核聚变在人为控制下为人类服务却是件异常艰难的事。时至今日,人们越来越清醒地认识到,受控核聚变实现之日方是我们真正摆脱能源危机之时。

  人造几亿摄氏度高温

  早在1938年,人们就发现了核聚变。然而,距1942年第一座核裂变反应堆建成已半个多世纪了,受控聚变还是迟迟没有实现有益的能量输出。

  如此举步维艰的根本原因,是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难得多。

  都带正电的原子核间既彼此吸引又互相排斥,当两个原子核之间相距只有约万亿分之三毫米时,它们之间的吸引力才会大于静电斥力,两个原子核也才可能聚合到一起同时释放出巨大的能量。而满足这样的条件需要的是几千万甚至几亿摄氏度的高温。

  人类要和平利用核聚变,必须是可以控制的聚变过程。比较切实可行的控制办法是通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量,使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此,核聚变装置中的气体密度要很低,只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一,而且对能量的约束也要有足够长的时间。也就是说,我们无法简单模拟太阳中心那样高的等离子体密度和上亿的温度,只有追求比太阳中心更高的温度来解决碰撞几率问题。创造这样苛刻的环境在技术上的难度就可想而知。还有,超高温的等离子体,有强烈地向外扩张的特性,必须有极强的磁场来约束住它们,绝对不让它们与四周容器壁接触,试想,怎样的材料才能装进“太阳”而不自身化为乌有?

  20世纪下半叶,聚变能的研究取得了重大的进展,而托卡马克类型的磁约束研究更是一路领先,并成为世界上第一座热核反应堆的设计基础。

  制成能装“太阳”的容器

  这个能将几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质――人造太阳,置入其中的托卡马克究竟身为何物?

  托卡马克(TOKAMAK)在俄语中是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的组合,即环流磁真空室的缩写。

  曾因成功解释切伦科夫辐射现象获1958年诺贝尔物理学奖的苏联著名物理学家塔姆,早在20世纪50年代初,就提出了用环形强磁场约束高温等离子体的设想。

  他认为,把强电流产生的极向磁场与环形磁场相结合,可望实现高温等离子体的磁约束。受这一思想的启发,前苏联物理学家阿奇莫维奇开始了这一装置的研究。最初,他们在环形陶瓷真空室外套多匝线圈,利用电容器放电使真空室形成环形磁场。与此同时,用变压器放电,使等离子体电流产生极向磁场。后来又利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室,还改进了线圈的工艺,增加了匝数,改进了磁场位形,最后成功地建成了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克。

  具有奇特旋转磁场位形的托卡马克的出现,使受控核聚变研究取得了重大的进展。自20世纪70年代起,世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美、欧、日、苏建造了四个大型托卡马克,中国科学院物理所继第一台小型托卡马克CT-6于1975年投入运行后,1984年6月,又建成了中国环流1号(HL-1)。2002年12月,中国环流器2号A,在成都核工业西南物理研究院建成并投入运行。

  目前,全世界有30多个国家及地区开展了核聚变研究,运行的托卡马克装置至少有几十个。

  毋庸讳言,ITER计划还处于筹备与起步阶段,遥望太阳腾空之处依旧是层叠群山。但是,迎接挑战是人类进步的重要原动力。我们有理由相信,不远的将来,世界各国的聚变精英定会不负使命,在托卡马克之中变出个太阳给你看。

  俄新年试燃“人造太阳”

  2004年新年来临之际,俄罗斯萨罗夫联邦核能中心的科学家们宣布在地球上燃起人造太阳。

  据全俄实验物理科学研究所科技中心的负责人维克多・谢列米尔称,该中心的一个试验场通过磁爆技术制造出比地球磁场强2000万倍的强磁场。他表示:“今后这种高强度磁场将帮助我们进行可操控热核反应,而这种热核反应将为我们提供取无穷无尽的环保清洁能源。”

  谢列米尔解释称:“我们的人造太阳其实就是一个巨型的热核反应堆。为了点燃这颗人造太阳,就需要将预先加热到数百万度的等离子体在极短的时间内使用超强磁场进行压缩,这个时间大约为数毫微秒(1毫微秒等于十亿分之一秒)。”

  在等离子体受压缩的同时,所产生的机械能转化为热能,而此时反应堆中的等离子体被加热温度达1亿度。据谢列米尔称,目前科学家们在压缩等离子体时所用时间只能达到5微秒(1微秒等于百万分之一秒)。因此,科学家们寄希望于正在萨罗夫研制的新装置来加速此压缩进程。

  谢列米尔指出:“我们相信,今后热核电站将成为地球上最受欢迎的能源供应方式。而氢的各种同位素将成为其最佳燃料选择,要知道,氢元素在世界公海里的储藏量可以说的取之不竭的。”

  ITER计划纠纷 日法争夺“太阳”主办权

  ITER的英文全称是International Thermonuclear Experimental Reactor,即“国际热核试验堆”计划。ITER在拉丁文中是“道路”的意思。

  1985年,在美、苏首脑的倡议和国际原子能机构(简称IAEA)的赞同下,确立了一项重大国际科技合作计划――“国际热核试验堆”,其目标是要建造一个可自持燃烧(即“点火”)的托卡马克聚变实验堆,其获取持续不断的能源的基本原理是借助氢同位素在高温下发生核聚变。核聚变能是一种安全、不产生放射性物质、原料成本低康的能源,是人类未来能源的希望。

  ITER计划独立于IAEA之外,由俄、日、美、欧四方共同承建。由于国内聚变研究政策的调整,美国曾于1998年退出ITER。2003年2月18日,在俄罗斯圣彼得堡召开的“ITER第八次政府间谈判会”上,美国宣布重新加入ITER,中国也同时宣布作为全权独立成员加入ITER计划。按ITER组织原则,中国将承担ITER工程总造价46亿美元的10%,并享受全部知识产权。

  如今加盟ITER计划的成员包括有中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国,此前,加拿大于2003年12月23日宣布退出ITER。

  与国际空间站研究、欧洲加速器、人类基因组测序研究等项目一样,ITER计划也是一个大型的国际科技合作项目。ITER计划总建设投资约46亿美元,这将是除国际空间站外规模最大的国际科技合作项目。由于该计划十分接近商用,它的成功实施可望为人类开发新一代战略能源带来一次革命,因此意义和影响十分重大。自1988年启动以来,经过四方科学家和工程技术人员十多年的努力,ITER计划不仅完成了物理和全部工程设计,而且还完成了许多关键部件的预研。

  鉴于ITER重要的能源和科技战略意义,以及其可能带来的经济和社会效益,ITER最终选址一直是参与国竞争的焦点。日本希望热核反应堆建在本国的青森县六所村,而欧盟则一致推举法国南部的卡达拉奇。以俄罗斯和中国为首的一些国家已表示支持欧盟。而另一方面,由于日本已经争取到了美国和韩国的支持,使得各方的意见出现了分歧。其中法国提出妥协方案:反应堆建在卡达拉奇,数据分析可以在其他地方做。

  从目前来看,法、日两国各有优势。法国核能发展一直是强项,有着丰富的经验和科技人员储备,且有欧盟这一整体的全力支持。法国科技部长艾涅蕾女士今天表示,“卡达拉奇的科学环境将为ITER计划提供包括科学、技术、人员等所有方面的保障。”对于ITER的最后定夺,她表示她本人和法国以及整个欧盟对此都充满信心。竞争对手日本在核能开发和利用方面自然也有其优势,更重要的是有强大经济实力的支持和保证,加之有美国方面可能的支持,日本对最终摘花也充满信心。ITER将在今年内就实验地的建设地点作出最终决定。

  终极能源――热核能(人造太阳)

  温 度 几亿摄氏度

  产生热功率 150万千瓦

  等离子体电流 2400万安培

  燃 烧 时 间 可达16分钟

  可使用时间 60亿年

  优 势 不含放射性物质,不会发生爆炸,是一种真正

  无限、清洁、成本低廉和安全的新能源

  研 发 组 织 “国际热核试验堆”计划(ITER)

  参 与 国 中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国

  设 计 时 间 2013年前建成世界第一座热核反应堆,实验

  运营阶段为20年,50年后成功发电

  总 耗 资 1.3万亿日元

  50年内建成耗资1.3万亿

  总 费 用 1.3万亿日元(50年内完成)

  由建设国投资48%,其余部分由参加国分摊

  第 一 阶 段 6600亿日元(10年)

  ●建热核反应堆:5000亿日元(3/4为超导线

  圈等主要机器,1/4为建筑

  物和机器组装)

  ●运营费用:700亿日元

  ●预定地整理费:900亿日元

  实验运营阶段 6000亿日元(20年)

  拆 除 阶 段 250亿日元(5年)

  能源消费将来时

  2000年 石油、煤炭、天然气传统能源占能源消费约90%%以上,其中石油占一半以上

  2040年 石油消费将达到最高峰

  2050年 核能、生物能、水利地热、风力、太阳能的比率大大上升,达到总能源消费的1/3,热核能源将达到总能源消费的1/4?/p>

  2100年 石油消费将减少到不足能源消费总量的5%%
 
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