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为了获得永不枯竭的新能源,科学家们正在实验室里造太阳

星空天文    发布时间:2017-04-18

把太阳搬回家。

美国国家点火装置的前置放大器,负责增强进入目标反应室激光的能量。该装置每进行一次试验的耗电量,相当于美国全国瞬间耗电总量的1000倍。Damien Jemison


人类目前广泛使用的能源有化石能源和可再生能源。前者如煤炭、石油和天然气;后者如风力、太阳能发电和水力。化石能源总量无疑是有限的,用一点少一点,而且这些东西不纯净,在燃烧过程中会对大气、水源和土壤造成严重的污染;可再生能源虽然总体上看起来比较“干净”,却也有不连续的缺点,它们对环境也有影响,比如建造水坝会破坏生态,制造太阳能电板会对环境造成污染。


所以这两种能源都不能算“绿色”。那么,核能怎么样?


核能在公众的印象中有消极的一面。这种负面印象一方面来自核武器,另一方面来自核电站遭到破坏后给环境造成的严重污染——比如切尔诺贝利和日本福岛。核电厂还会产生具有极强放射性的废料。所以人们谈核色变。


但是实际上,人类目前对核能的利用,还只停留在核裂变的层次上。核能中还有另一种更强大的形式——核聚变能。


太阳为什么会发光、发热?因为它的核心正在进行着核聚变。在极高的温度和压力下,氢核会通过一连串的聚变反应形成氦核。太阳内部的核聚变是在自然状态下进行的。太阳之所以能够保持相对稳定的球形外观,主要原因也是核聚变会产生巨大的辐射能,进而产生强大的辐射压,抵消太阳自身质量产生的引力,使其不致被自己压垮。大质量恒星死亡时之所以会发生猛烈的超新星爆发,就是因为燃料耗尽,聚变终止,引力失控。


核聚变在太空中极为常见,每一颗恒星就是一个天然的核聚变反应堆。但强大的聚变能人类至今还没有能力加以利用。聚变能具有非常多的优点。假如有一天我们在地球上制造出了受控聚变反应堆,那么就将获得永不枯竭的清洁能源。


核裂变所需的燃料具有非常强的放射性,它们大多是一些重元素,比如钍、铀和钚,这些元素衰变后产生的废料仍然具有极强的放射性。核聚变所需的燃料则不然,它们是一些非常稳定的轻元素,比如氢、氦和锂的一些同位素。聚变的最终产物是氦、锂、铍和硼,同样不具有放射性。


从技术上来讲,无论是受控(核电)还是不受控(核弹),核裂变相对要容易一些。而受控核聚变则困难得多。为了能够成功地进行受控核聚变,科学家付出了长期不懈的努力。


核聚变反应堆中的等离子体温度极高,以致于它不再发光。只有靠近反应堆壁的等离子体由于温度较低才能够被看到。韩国聚变研究所


目前,受控核聚变试验主要有四种方式。


一是“惯性约束核聚变”。“惯性约束核聚变”利用激光对氢燃料丸进行压缩,在其内部引发受控核聚变。二是“磁约束核聚变”。这种方式用电磁力替代了经典力,来压缩超高温等离子体。第三种是“磁化标靶核聚变”。它是用磁场来约束超高温等离子体,并用活塞对其进行压缩,引发受控核聚变。第四种是“次临界核聚变”,用一种不致熔毁的次临界核裂变,来替代高温和惯性,引发受控核聚变。


前两种核聚变试验方式的研究由来已久,或许在不久的将来,就将获得突破性进展。而后两种,尤其是最后一种,是近年才出现的。


如何获得取一种清洁的、可长期获得的新能源,以取代终将耗尽的化石能源,是摆在全人类面前的一个非常迫切的问题。而受控核聚变,无疑是一个切实可行的方案。


星空天文系头条号签约作者

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