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日前，被譽(yù)為“人造太陽”的美國國家點(diǎn)火裝置(NIF)完成了首次綜合點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)——192束激光系統(tǒng)發(fā)射的能量打造出600萬華氏度高溫，這相當(dāng)于恒星或大行星核心的溫度。NIF作為全球最大的激光核聚變裝置，從1997年開始建造起已經(jīng)花掉了納稅人35.5億美元(約合人民幣235億元)。研究人員不惜代價不僅為了研究如何“駕馭太陽的能量”，這個計(jì)劃還承載著人類的清潔能源之夢。
目標(biāo)靶室由厚達(dá)10厘米的鋁板制成
工人向目標(biāo)靶室內(nèi)裝填“人造太陽”的核心裝置 在加利福尼亞州利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，一座神秘的建筑物仍在修建中。過去十多來年，這個龐大的建筑物一直是環(huán)保主義者關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，11月2日，這里進(jìn)行的一次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)震動了科學(xué)界。因?yàn)樽鳛槭澜缟系谝粋€能產(chǎn)生持續(xù)核聚變的反應(yīng)堆，“人造太陽”一旦成功將改寫人類的歷史。 地球上造“小太陽” 現(xiàn)今人類可利用的最大、最具商業(yè)價值的能源無疑是核能。核電站利用核能的原理是核裂變，即在高溫高壓狀態(tài)，把鈾或钚等重原子分裂成輕原子，導(dǎo)致其釋放大量能量的核反應(yīng)方式。但是國家點(diǎn)火裝置利用核能的方式則反其道而行之，不是核裂變，而是核聚變。核聚變是指由質(zhì)量輕的原子，主要是指氘或氚，在高溫高壓下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。太陽發(fā)光發(fā)熱就是利用核聚變產(chǎn)生的能量。 與核裂變相比，核聚變不僅安全，而且相對環(huán)保。利弗莫爾國家點(diǎn)火裝置曾對媒體說：“太陽產(chǎn)生的光和熱抵達(dá)地球，不會產(chǎn)生任何放射性的副產(chǎn)品，而且能長期高效的生產(chǎn)。如果把太陽換成我們正在研究的核聚變反應(yīng)堆，就等于在地球上建造了一個提供清潔能源的小太陽。” 釋放1.3兆焦耳能量 目前，這個“小太陽”已經(jīng)初具規(guī)模，并且已經(jīng)進(jìn)行了令人鼓舞的試驗(yàn)，獲得了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利弗莫爾國家點(diǎn)火裝置的一個科研組說，11月2日他們向核聚變反應(yīng)堆中心發(fā)射192束激光束，用它們瞄準(zhǔn)一個只有花生大小卻包含氘和氚氣體的小球體。這個小球體釋放的能量高達(dá)1.3兆焦耳，其核心最高溫度大約是600萬華氏度。 國家點(diǎn)火裝置主管愛德華·摩西說，盡管這次試驗(yàn)沒有能夠達(dá)到太陽中心溫度2700萬華氏度，也沒有引發(fā)期待中的持續(xù)性核聚變反應(yīng)，但這些試驗(yàn)結(jié)果依然非常振奮人心。摩西還稱，美國科學(xué)家有決心在2012年實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 意義 “人造太陽”研究惠及后代 要想實(shí)現(xiàn)核聚變?nèi)紵紫缺仨汓c(diǎn)燃由氫的同位素氘和氚構(gòu)成的特殊燃料。 20世紀(jì)70年代，科學(xué)家開始利用強(qiáng)大的激光束進(jìn)行試驗(yàn)，壓縮和加熱氫的同位素，使其達(dá)到熔點(diǎn)，這一技術(shù)被稱作慣性約束核聚變。激光發(fā)射器的作用就是促使這種核聚變快速和持續(xù)產(chǎn)生，包含氘和氚氣體的目標(biāo)物受到外部的刺激后，將發(fā)生爆炸形成沖擊波，進(jìn)一步加快目標(biāo)物核心的燃燒，這種燃燒的持續(xù)性也更長。 一旦這種核聚變成現(xiàn)實(shí)，國家點(diǎn)火裝置內(nèi)靶室的溫度會超過1億華氏度，內(nèi)部壓力將超過地球大氣壓的1千億倍。國家點(diǎn)火裝置主管愛德華·摩西說：“為了在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生核聚變?nèi)紵覀冞M(jìn)行了長達(dá)10年的研究。目前利用核聚變或核裂變產(chǎn)生能量的核電站，在過去50多年已經(jīng)讓發(fā)電量大幅增加，但迄今仍未證明利用氘和氚氣體融合后持續(xù)燃燒產(chǎn)生能源的方法可以投入使用。”因此摩西說，“人造太陽”試驗(yàn)的意義不言而喻，“一旦我們掌握了實(shí)現(xiàn)太陽內(nèi)部核聚變的技術(shù)，我們的子孫后代將享受到科技發(fā)展帶來的飛躍，能源短缺的時代將一去不復(fù)返。” 結(jié)構(gòu) 130噸重目標(biāo)靶室是核心 從上世紀(jì)90年代后期開始，利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室就開始建造“人造太陽”，至今整個計(jì)劃已投入約35.5億美元。11月2日進(jìn)行的綜合點(diǎn)火試驗(yàn)是迄今以來最成功的一次試驗(yàn)。未來，還有更復(fù)雜和更具挑戰(zhàn)性的試驗(yàn)在國家點(diǎn)火裝置里上演。 國家點(diǎn)火裝置是一棟10層樓高的建筑物，其面積相當(dāng)于三個足球場。媒體稱，這個點(diǎn)火裝置是世界上最大的激光科學(xué)建設(shè)項(xiàng)目，因而成為全球“人造太陽”試驗(yàn)的中心，承載著人類利用新能源的夢想。國家點(diǎn)火裝置控制室有一套十分先進(jìn)的電腦自動控制集成系統(tǒng)，它模仿了休斯敦美國宇航局的任務(wù)控制中心，被稱為史上科學(xué)儀器設(shè)計(jì)最復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)之一。 國家點(diǎn)火裝置內(nèi)部設(shè)有130噸重的目標(biāo)靶室，這是“人造太陽”計(jì)劃最核心的部分。靶室里的中心孔洞直徑達(dá)10米，用30厘米厚的混凝土掩埋，旁邊有192個激光器向其中發(fā)射中子，以點(diǎn)燃反應(yīng)堆，并促使包含氘和氚氣體的玻璃物目標(biāo)產(chǎn)生極大的高溫和高壓。 這個靶室的條件將接近或達(dá)到太陽內(nèi)部核聚變反應(yīng)時的條件。電腦自動控制集成系統(tǒng)保證了試驗(yàn)的穩(wěn)定性，因?yàn)?50臺電腦使激光器發(fā)射激光的間隔不超過50微秒。 應(yīng)用 世界掀起“人造太陽”熱 “人造太陽”技術(shù)可行性高、應(yīng)用前景廣闊，實(shí)際上，除了美國的“人造太陽”計(jì)劃，中國、俄羅斯等世界大國目前都在研究類似“人造太陽”的核聚變技術(shù)。 國家點(diǎn)火裝置“人造太陽”中的核反應(yīng)堆目標(biāo)物是氘和氚，氘可以利用并不復(fù)雜的技術(shù)，從海水里萃取；氚在金屬鋰中存在，鋰則是土壤里的一種常見元素。所以氘和氚在現(xiàn)實(shí)中的開采和利用，相比核裂變要使用到的鈾或钚更為簡單易行。 國家點(diǎn)火裝置在其網(wǎng)站上對氘和氚的利用前景作了形象的對比。他們舉例稱，由于海水中包含氘元素，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)化，1加侖海水可提供相當(dāng)于300加侖汽油產(chǎn)生的能量，50加侖海水產(chǎn)生的燃料所含的能量，相當(dāng)于2噸煤。“它們很環(huán)保，大規(guī)模應(yīng)用后，可以減少對化石燃料的使用，從而大大降低碳排放量。” 更為重要的是，氘和氚沒有鈾或钚那樣劇烈的放射性，未來使用它們做反應(yīng)堆生成的放射性副產(chǎn)品，也比當(dāng)前核裂變核電站少。 國家點(diǎn)火裝置的官員估計(jì)，使用核聚變反應(yīng)堆的發(fā)電站將在2020年開始運(yùn)行，到2050年將有25%的美國民用能源由核聚變提供。 |
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