2014年10月15日，美國(guó)洛克希德•馬丁公司宣布，該公司已經(jīng)秘密設(shè)計(jì)出一個(gè)緊湊型核聚變反應(yīng)堆，1年內(nèi)將進(jìn)行試驗(yàn)，5年內(nèi)將制造出反應(yīng)堆模型，市場(chǎng)化大約需要10年時(shí)間。這意味著世界能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生革命性的變化，人類將告別能源緊缺的時(shí)代！
核裂變與核聚變
時(shí)間拉回到75年前的1939年，第二次世界大戰(zhàn)剛剛爆發(fā)，一封由三位逃難到美國(guó)的匈牙利科學(xué)家起草、愛因斯坦參與簽名的呼吁信送到了美國(guó)總統(tǒng)羅斯福的桌子上，強(qiáng)烈建議美國(guó)馬上開始原子彈的研制工作，以防止納粹德國(guó)搶先獲得這種毀滅性的武器。
其結(jié)果是美國(guó)研制原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”啟動(dòng)，并于1945年成功爆炸了第一顆原子彈。這封呼吁信中有一句耐人尋味的話：“這是歷史上人類將第一次利用并不是來自太陽(yáng)的能量。”
這意思是，在核能發(fā)明之前，人類能利用的所有能源，風(fēng)能、水能、石油、煤炭炭燃料等，歸根到底都源自太陽(yáng)能。而核能則是由地球自身的物質(zhì)，按照愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換式(E=mc2)轉(zhuǎn)化而來。
在核能利用中，核材料耗損掉的每一克質(zhì)量(m)，都會(huì)轉(zhuǎn)化為這個(gè)質(zhì)量與光速平方乘積(mc2)的能量(E)。這是一個(gè)天文數(shù)字般巨大的能量！
核能產(chǎn)生有兩種形式。第一種是核裂變，即一個(gè)大的原子裂變?yōu)閹讉€(gè)小的原子，裂變過程大約會(huì)有千分之一的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量。1945年爆炸的首顆原子彈就是這種方式；第二種是核聚變，過程恰好相反，是幾個(gè)小的原子聚合為一個(gè)大的原子。核聚變的質(zhì)量耗損率比核裂變高出數(shù)倍，因此威力也大得多。1954年，美國(guó)在比基尼島試爆成功的第一顆氫彈就屬于這種類型。
無論原子彈還是氫彈，都是瞬間產(chǎn)生的巨大能量，是一種只能應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)的破壞性的能量。核能的和平利用，關(guān)鍵在于核反應(yīng)的可控性，即讓核能的釋放在人工控制下長(zhǎng)期持續(xù)地進(jìn)行。核裂變的可控性在“曼哈頓計(jì)劃”時(shí)代就已經(jīng)解決。1954年，蘇聯(lián)就建成了第一個(gè)核電站。到目前，世界核能發(fā)電大約占到總電量的五分之一。
但是核裂變利用有幾個(gè)弊病。首先核原料(如鈾235)是地球上的稀有元素，資源極其有限；其次核裂變后產(chǎn)生的物質(zhì)是放射性元素，核廢料的處理是個(gè)很頭疼的問題；再就是可能產(chǎn)生核泄漏，是為不安全。蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站和日本福島核電站的泄漏事件就是慘痛的教訓(xùn)。因此不少國(guó)家現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入限制和縮減核電站的程序。
核聚變就沒有這些問題。地球上蘊(yùn)藏的核聚變?cè)线h(yuǎn)比核裂變?cè)县S富得多。作為核聚變?cè)系臍涞耐凰?mdash;—氘，每升海水中就含有0.03克，所以僅在海水中就有45萬億噸氘。而1克氘聚變的能量就可以發(fā)10萬度電。
相對(duì)人類的需要，核聚變真可謂取之不盡、用之不竭。另外核聚變是氫同位素聚合為氦，前前后后都是無害元素，沒有核廢料和核泄漏問題，所以既干凈又安全。
核聚變的可控性
如此好事，為何在第一顆氫彈爆發(fā)以后整整60年還沒有和平利用呢？還是可控性問題。
核聚變的原理：4個(gè)核子(質(zhì)子和中子)聚合為1個(gè)由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成的氦原子核。聚變過程大約會(huì)發(fā)生千分之幾的質(zhì)量耗損，這個(gè)耗損的質(zhì)量就轉(zhuǎn)化為核聚變的能量。核聚變?cè)跉渫凰仉碗爸g發(fā)生。氘的原子核由1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子組成，氚由1個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成。聚變后多余的中子使灌進(jìn)反應(yīng)堆的鋰裂變產(chǎn)生氚。所以核聚變只需要以氘為原料，而氚可以在核反應(yīng)過程中產(chǎn)生。
要實(shí)現(xiàn)核聚變，第一步要打破核原料原子中原子核和電子的緊密聯(lián)盟，使它們都變成相互脫離的裸原子核(帶正電)和自由電子(帶負(fù)電)，即所謂“等離子體”；第二步，裸原子核要有足夠的動(dòng)能，以克服它們之間的靜電斥力，達(dá)到核強(qiáng)力(把核子聚合在一起的吸引力)能發(fā)生作用的極小的間距，從而聚合為一個(gè)新的原子核。
要完成這么一個(gè)兩步曲，就需要一個(gè)高達(dá)上億攝氏度的臨界溫度。氫彈轟的一聲沒有問題，但用來發(fā)電，就必須有持續(xù)的高溫，讓核聚變自持式地連續(xù)發(fā)生。最直接的想法，就是要有一個(gè)反應(yīng)鍋把高溫約束在一個(gè)有限的空間內(nèi)，長(zhǎng)期維持核聚變所需要的臨界溫度條件。問題是，我們根本找不到什么材料來制造出這個(gè)能耐上億攝氏度高溫而不熔化的容器。
也不是完全沒有辦法。想想人家太陽(yáng)，就是一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)堆。幾十億年下來，它也沒有一口能耐高溫的反應(yīng)鍋，靠的是強(qiáng)大的萬有引力把高溫介質(zhì)凝聚在一起。然而太陽(yáng)的質(zhì)量是地球的33萬倍，我們根本不可能復(fù)制出類似于太陽(yáng)那么強(qiáng)大的萬有引力。
好在物體不僅跟萬有引力發(fā)生作用，還跟電磁力發(fā)生作用。通過一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，也可以把高溫等離子體約束在一個(gè)有限的空間內(nèi)，像磁鐵把鐵屑吸引在一塊一樣。這就類似于太陽(yáng)的引力凝聚，構(gòu)成一個(gè)無形的“反應(yīng)鍋”。于是就不需要通過耐高溫材料來限制核反應(yīng)的范圍，而是靠電磁力來約束核聚變的空間，就叫做“磁力約束”。
在一個(gè)磁力約束的反應(yīng)堆里，通過原料泵不斷地輸入氘和氚混合的等離子氣，同時(shí)及時(shí)排出核反應(yīng)的產(chǎn)物——氦和其他一些物質(zhì)，核聚變就可以持續(xù)不斷地進(jìn)行。聚變產(chǎn)生的熱量加熱冷卻劑，用以推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)。
再一個(gè)問題就是，如何產(chǎn)生核聚變的初始高溫。氫彈實(shí)際上是“兩彈合一”。首先爆炸氫彈內(nèi)的一顆裂變?cè)訌棧a(chǎn)生高溫，從而引爆真正的氫彈。民用核聚變顯然不能采用這種方式。不過辦法總比問題多?？茖W(xué)家設(shè)計(jì)出激光引爆的方式，用幾束高強(qiáng)激光照射在同一點(diǎn)上，制造局部瞬間的高溫，引發(fā)初始的聚變反應(yīng)。之后就靠聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
原理是可行的，但實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化還要解決兩個(gè)問題：一是小型化；二是經(jīng)濟(jì)性。洛克希德•馬丁公司宣稱，他們的反應(yīng)堆可以讓高溫等離子體自己產(chǎn)生磁約束力，從而大大縮小反應(yīng)空間，所以這個(gè)反應(yīng)堆比現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)型聚變反應(yīng)堆的體積縮小了10倍，大約只有2米長(zhǎng)1米高。不僅可以安裝在艦艇上，甚至可以安裝在大型貨車上。而其發(fā)電成本大致只相當(dāng)于一個(gè)煤炭發(fā)電廠，完全具有商業(yè)價(jià)值。
可以想象，只要有一個(gè)核聚變反應(yīng)堆能實(shí)際應(yīng)用，憑著人類無限的創(chuàng)造力，小型化和經(jīng)濟(jì)性還會(huì)有極大的發(fā)展空間。想一想30年前一臺(tái)裝滿一個(gè)大房間的穿孔式電子計(jì)算機(jī)，其內(nèi)存和運(yùn)算速度可能還不及現(xiàn)在一個(gè)小小的計(jì)算器。而且以前只能集團(tuán)購(gòu)買，現(xiàn)在一個(gè)小學(xué)生的口袋里都可以揣著一個(gè)。
人類現(xiàn)在的主要能源——石油和煤炭，按現(xiàn)在的發(fā)掘度，大概都只有以百年計(jì)的存量。一旦核聚變成為人類的能源消費(fèi)方式，能源危機(jī)將成為歷史遺跡。而且?guī)缀跏橇銣厥覛怏w和零放射性廢料排放，會(huì)天更藍(lán)、云更白、地更綠。
不過科學(xué)界對(duì)這一消息還是持謹(jǐn)慎樂觀態(tài)度。因?yàn)槁蹇讼５?bull;馬丁公司的試驗(yàn)一直是秘密進(jìn)行的，宣稱的200次點(diǎn)火試驗(yàn)，也從未公布數(shù)據(jù)。甚至有科學(xué)家斷言，目前還只是紙上談兵階段，到商業(yè)化的路途還十分遙遠(yuǎn)。但不管怎么樣，我們熱切地期待著奇跡發(fā)生，希望最好的結(jié)果出現(xiàn)。這大概可以成為人類共同的“世界夢(mèng)”吧？
核裂變與核聚變
時(shí)間拉回到75年前的1939年，第二次世界大戰(zhàn)剛剛爆發(fā)，一封由三位逃難到美國(guó)的匈牙利科學(xué)家起草、愛因斯坦參與簽名的呼吁信送到了美國(guó)總統(tǒng)羅斯福的桌子上，強(qiáng)烈建議美國(guó)馬上開始原子彈的研制工作，以防止納粹德國(guó)搶先獲得這種毀滅性的武器。
其結(jié)果是美國(guó)研制原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”啟動(dòng)，并于1945年成功爆炸了第一顆原子彈。這封呼吁信中有一句耐人尋味的話：“這是歷史上人類將第一次利用并不是來自太陽(yáng)的能量。”
這意思是，在核能發(fā)明之前，人類能利用的所有能源，風(fēng)能、水能、石油、煤炭炭燃料等，歸根到底都源自太陽(yáng)能。而核能則是由地球自身的物質(zhì)，按照愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換式(E=mc2)轉(zhuǎn)化而來。
在核能利用中，核材料耗損掉的每一克質(zhì)量(m)，都會(huì)轉(zhuǎn)化為這個(gè)質(zhì)量與光速平方乘積(mc2)的能量(E)。這是一個(gè)天文數(shù)字般巨大的能量！
核能產(chǎn)生有兩種形式。第一種是核裂變，即一個(gè)大的原子裂變?yōu)閹讉€(gè)小的原子，裂變過程大約會(huì)有千分之一的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量。1945年爆炸的首顆原子彈就是這種方式；第二種是核聚變，過程恰好相反，是幾個(gè)小的原子聚合為一個(gè)大的原子。核聚變的質(zhì)量耗損率比核裂變高出數(shù)倍，因此威力也大得多。1954年，美國(guó)在比基尼島試爆成功的第一顆氫彈就屬于這種類型。
無論原子彈還是氫彈，都是瞬間產(chǎn)生的巨大能量，是一種只能應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)的破壞性的能量。核能的和平利用，關(guān)鍵在于核反應(yīng)的可控性，即讓核能的釋放在人工控制下長(zhǎng)期持續(xù)地進(jìn)行。核裂變的可控性在“曼哈頓計(jì)劃”時(shí)代就已經(jīng)解決。1954年，蘇聯(lián)就建成了第一個(gè)核電站。到目前，世界核能發(fā)電大約占到總電量的五分之一。
但是核裂變利用有幾個(gè)弊病。首先核原料(如鈾235)是地球上的稀有元素，資源極其有限；其次核裂變后產(chǎn)生的物質(zhì)是放射性元素，核廢料的處理是個(gè)很頭疼的問題；再就是可能產(chǎn)生核泄漏，是為不安全。蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站和日本福島核電站的泄漏事件就是慘痛的教訓(xùn)。因此不少國(guó)家現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入限制和縮減核電站的程序。
核聚變就沒有這些問題。地球上蘊(yùn)藏的核聚變?cè)线h(yuǎn)比核裂變?cè)县S富得多。作為核聚變?cè)系臍涞耐凰?mdash;—氘，每升海水中就含有0.03克，所以僅在海水中就有45萬億噸氘。而1克氘聚變的能量就可以發(fā)10萬度電。
相對(duì)人類的需要，核聚變真可謂取之不盡、用之不竭。另外核聚變是氫同位素聚合為氦，前前后后都是無害元素，沒有核廢料和核泄漏問題，所以既干凈又安全。
核聚變的可控性
如此好事，為何在第一顆氫彈爆發(fā)以后整整60年還沒有和平利用呢？還是可控性問題。
核聚變的原理：4個(gè)核子(質(zhì)子和中子)聚合為1個(gè)由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成的氦原子核。聚變過程大約會(huì)發(fā)生千分之幾的質(zhì)量耗損，這個(gè)耗損的質(zhì)量就轉(zhuǎn)化為核聚變的能量。核聚變?cè)跉渫凰仉碗爸g發(fā)生。氘的原子核由1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子組成，氚由1個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成。聚變后多余的中子使灌進(jìn)反應(yīng)堆的鋰裂變產(chǎn)生氚。所以核聚變只需要以氘為原料，而氚可以在核反應(yīng)過程中產(chǎn)生。
要實(shí)現(xiàn)核聚變，第一步要打破核原料原子中原子核和電子的緊密聯(lián)盟，使它們都變成相互脫離的裸原子核(帶正電)和自由電子(帶負(fù)電)，即所謂“等離子體”；第二步，裸原子核要有足夠的動(dòng)能，以克服它們之間的靜電斥力，達(dá)到核強(qiáng)力(把核子聚合在一起的吸引力)能發(fā)生作用的極小的間距，從而聚合為一個(gè)新的原子核。
要完成這么一個(gè)兩步曲，就需要一個(gè)高達(dá)上億攝氏度的臨界溫度。氫彈轟的一聲沒有問題，但用來發(fā)電，就必須有持續(xù)的高溫，讓核聚變自持式地連續(xù)發(fā)生。最直接的想法，就是要有一個(gè)反應(yīng)鍋把高溫約束在一個(gè)有限的空間內(nèi)，長(zhǎng)期維持核聚變所需要的臨界溫度條件。問題是，我們根本找不到什么材料來制造出這個(gè)能耐上億攝氏度高溫而不熔化的容器。
也不是完全沒有辦法。想想人家太陽(yáng)，就是一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)堆。幾十億年下來，它也沒有一口能耐高溫的反應(yīng)鍋，靠的是強(qiáng)大的萬有引力把高溫介質(zhì)凝聚在一起。然而太陽(yáng)的質(zhì)量是地球的33萬倍，我們根本不可能復(fù)制出類似于太陽(yáng)那么強(qiáng)大的萬有引力。
好在物體不僅跟萬有引力發(fā)生作用，還跟電磁力發(fā)生作用。通過一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，也可以把高溫等離子體約束在一個(gè)有限的空間內(nèi)，像磁鐵把鐵屑吸引在一塊一樣。這就類似于太陽(yáng)的引力凝聚，構(gòu)成一個(gè)無形的“反應(yīng)鍋”。于是就不需要通過耐高溫材料來限制核反應(yīng)的范圍，而是靠電磁力來約束核聚變的空間，就叫做“磁力約束”。
在一個(gè)磁力約束的反應(yīng)堆里，通過原料泵不斷地輸入氘和氚混合的等離子氣，同時(shí)及時(shí)排出核反應(yīng)的產(chǎn)物——氦和其他一些物質(zhì)，核聚變就可以持續(xù)不斷地進(jìn)行。聚變產(chǎn)生的熱量加熱冷卻劑，用以推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)。
再一個(gè)問題就是，如何產(chǎn)生核聚變的初始高溫。氫彈實(shí)際上是“兩彈合一”。首先爆炸氫彈內(nèi)的一顆裂變?cè)訌棧a(chǎn)生高溫，從而引爆真正的氫彈。民用核聚變顯然不能采用這種方式。不過辦法總比問題多?？茖W(xué)家設(shè)計(jì)出激光引爆的方式，用幾束高強(qiáng)激光照射在同一點(diǎn)上，制造局部瞬間的高溫，引發(fā)初始的聚變反應(yīng)。之后就靠聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
原理是可行的，但實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化還要解決兩個(gè)問題：一是小型化；二是經(jīng)濟(jì)性。洛克希德•馬丁公司宣稱，他們的反應(yīng)堆可以讓高溫等離子體自己產(chǎn)生磁約束力，從而大大縮小反應(yīng)空間，所以這個(gè)反應(yīng)堆比現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)型聚變反應(yīng)堆的體積縮小了10倍，大約只有2米長(zhǎng)1米高。不僅可以安裝在艦艇上，甚至可以安裝在大型貨車上。而其發(fā)電成本大致只相當(dāng)于一個(gè)煤炭發(fā)電廠，完全具有商業(yè)價(jià)值。
可以想象，只要有一個(gè)核聚變反應(yīng)堆能實(shí)際應(yīng)用，憑著人類無限的創(chuàng)造力，小型化和經(jīng)濟(jì)性還會(huì)有極大的發(fā)展空間。想一想30年前一臺(tái)裝滿一個(gè)大房間的穿孔式電子計(jì)算機(jī)，其內(nèi)存和運(yùn)算速度可能還不及現(xiàn)在一個(gè)小小的計(jì)算器。而且以前只能集團(tuán)購(gòu)買，現(xiàn)在一個(gè)小學(xué)生的口袋里都可以揣著一個(gè)。
人類現(xiàn)在的主要能源——石油和煤炭，按現(xiàn)在的發(fā)掘度，大概都只有以百年計(jì)的存量。一旦核聚變成為人類的能源消費(fèi)方式，能源危機(jī)將成為歷史遺跡。而且?guī)缀跏橇銣厥覛怏w和零放射性廢料排放，會(huì)天更藍(lán)、云更白、地更綠。
不過科學(xué)界對(duì)這一消息還是持謹(jǐn)慎樂觀態(tài)度。因?yàn)槁蹇讼５?bull;馬丁公司的試驗(yàn)一直是秘密進(jìn)行的，宣稱的200次點(diǎn)火試驗(yàn)，也從未公布數(shù)據(jù)。甚至有科學(xué)家斷言，目前還只是紙上談兵階段，到商業(yè)化的路途還十分遙遠(yuǎn)。但不管怎么樣，我們熱切地期待著奇跡發(fā)生，希望最好的結(jié)果出現(xiàn)。這大概可以成為人類共同的“世界夢(mèng)”吧？
