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美国235亿造“太阳”:192束激光造恒星温度
2011-11-23 08:22:52   编辑:萧萧   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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日前,被誉为“人造太阳”的美国国家点火装置(NIF)完成了首次综合点火实验———192束激光系统发射的能量打造出600万华氏度高温,这相当于恒星或大行星核心的温度。NIF作为全球最大的激光核聚变装置,从1997年开始建造起已经花掉了纳税人35.5亿美元(约合人民币235亿元)。研究人员不惜代价不仅为了研究如何“驾驭太阳的能量”,这个计划还承载着人类的清洁能源之梦。

美国235亿造“太阳”:192束激光造恒星温度
目标靶室由厚达10厘米的铝板制成

在加利福尼亚州利弗莫尔国家实验室,一座神秘的建筑物仍在修建中。过去十多来年,这个庞大的建筑物一直是环保主义者关注的焦点。然而,11月2日,这里进行的一次点火实验震动了科学界。因为作为世界上第一个能产生持续核聚变的反应堆,“人造太阳”一旦成功将改写人类的历史。

地球上造“小太阳”

现今人类可利用的最大、最具商业价值的能源无疑是核能。核电站利用核能的原理是核裂变,即在高温高压状态,把铀或钚等重原子分裂成轻原子,导致其释放大量能量的核反应方式。但是国家点火装置利用核能的方式则反其道而行之,不是核裂变,而是核聚变。核聚变是指由质量轻的原子,主要是指氘或氚,在高温高压下,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。太阳发光发热就是利用核聚变产生的能量。

与核裂变相比,核聚变不仅安全,而且相对环保。利弗莫尔国家点火装置曾对媒体说:“太阳产生的光和热抵达地球,不会产生任何放射性的副产品,而且能长期高效的生产。如果把太阳换成我们正在研究的核聚变反应堆,就等于在地球上建造了一个提供清洁能源的小太阳。”

释放1.3兆焦耳能量

目前,这个“小太阳”已经初具规模,并且已经进行了令人鼓舞的试验,获得了宝贵的试验数据。利弗莫尔国家点火装置的一个科研组说,11月2日他们向核聚变反应堆中心发射192束激光束,用它们瞄准一个只有花生大小却包含氘和氚气体的小球体。这个小球体释放的能量高达1.3兆焦耳,其核心最高温度大约是600万华氏度。

国家点火装置主管爱德华摩西说,尽管这次试验没有能够达到太阳中心温度2700万华氏度,也没有引发期待中的持续性核聚变反应,但这些试验结果依然非常振奋人心。“试验让我们相信,我们一定能实现氘和氚核聚变目标物里的点火条件。”摩西还称,美国科学家有决心在2012年实现这一目标。

要想实现核聚变燃烧,首先必须点燃由氢的同位素氘和氚构成的特殊燃料。

美国235亿造“太阳”:192束激光造恒星温度
工人向目标靶室内装填“人造太阳”的核心装置

20世纪70年代,科学家开始利用强大的激光束进行试验,压缩和加热氢的同位素,使其达到熔点,这一技术被称作惯性约束核聚变。激光发射器的作用就是促使这种核聚变快速和持续产生,包含氘和氚气体的目标物受到外部的刺激后,将发生爆炸形成冲击波,进一步加快目标物核心的燃烧,这种燃烧的持续性也更长。

一旦这种核聚变成现实,国家点火装置内靶室的温度会超过1亿华氏度,内部压力将超过地球大气压的1千亿倍。国家点火装置主管爱德华摩西说:“为了在实验室里产生核聚变燃烧,我们进行了长达10年的研究。目前利用核聚变或核裂变产生能量的核电站,在过去50多年已经让发电量大幅增加,但迄今仍未证明利用氘和氚气体融合后持续燃烧产生能源的方法可以投入使用。”因此摩西说,“人造太阳”试验的意义不言而喻,“一旦我们掌握了实现太阳内部核聚变的技术,我们的子孙后代将享受到科技发展带来的飞跃,能源短缺的时代将一去不复返。”

“人造太阳”技术可行性高、应用前景广阔

实际上,除了美国的“人造太阳”计划,中国、俄罗斯等世界大国目前都在研究类似“人造太阳”的核聚变技术。

国家点火装置“人造太阳”中的核反应堆目标物是氘和氚,氘可以利用并不复杂的技术,从海水里萃取;氚在金属锂中存在,锂则是土壤里的一种常见元素。所以氘和氚在现实中的开采和利用,相比核裂变要使用到的铀或钚更为简单易行。

国家点火装置在其网站上对氘和氚的利用前景作了形象的对比。他们举例称,由于海水中包含氘元素,经过一定的转化,1加仑海水可提供相当于300加仑汽油产生的能量,50加仑海水产生的燃料所含的能量,相当于2吨煤。“它们很环保,大规模应用后,可以减少对化石燃料的使用,从而大大降低碳排放量。”

更为重要的是,氘和氚没有铀或钚那样剧烈的放射性,未来使用它们做反应堆生成的放射性副产品,也比当前核裂变核电站少。

国家点火装置的官员估计,使用核聚变反应堆的发电站将在2020年开始运行,到2050年将有25%的美国民用能源由核聚变提供。

130吨重目标靶室是核心

从上世纪90年代后期开始,利弗莫尔国家实验室就开始建造“人造太阳”,至今整个计划已投入约35.5亿美元。11月2日进行的综合点火试验是迄今以来最成功的一次试验。未来,还有更复杂和更具挑战性的试验在国家点火装置里上演。

国家点火装置是一栋10层楼高的建筑物,其面积相当于三个足球场。媒体称,这个点火装置是世界上最大的激光科学建设项目,因而成为全球“人造太阳”试验的中心,承载着人类利用新能源的梦想。国家点火装置控制室有一套十分先进的电脑自动控制集成系统,它模仿了休斯敦美国宇航局的任务控制中心,被称为史上科学仪器设计最复杂的自动控制系统之一。

国家点火装置内部设有130吨重的目标靶室,这是“人造太阳”计划最核心的部分。靶室里的中心孔洞直径达10米,用30厘米厚的混凝土掩埋,旁边有192个激光器向其中发射中子,以点燃反应堆,并促使包含氘和氚气体的玻璃物目标产生极大的高温和高压。

这个靶室的条件将接近或达到太阳内部核聚变反应时的条件。电脑自动控制集成系统保证了试验的稳定性,因为850台电脑使激光器发射激光的间隔不超过50微秒。(文/环球网、via腾讯科技

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