探秘国际热核聚变反应堆:2018年将人造太阳

唐宁

2009年10月26日10:55  

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人造太阳

国际热核聚变实验反应堆示意图

    北京时间10月26日消息,据英国《新科学家》杂志网站报道,目前在法国南部卡达拉舍“国际热核聚变实验反应堆”建设工程正在如火如荼地进行着。几十位来自世界各国的最顶尖核能科学家汇聚法国,组成实力强劲的国际科研团队,紧锣密鼓地开展工作,计划到2018年制造出一个“人造太阳”。

    这一热核聚变实验反应堆将会利用氢的两种重同位素氘和氚来产生大量能源,理论上将为人类提供丰富的清洁能源,不仅会实现碳的零排放,而且产生的辐射性废物比当前的核裂变反应堆要少许多。

  一、核聚变能源前景无限

  核聚变同核裂变不同,核裂变是一个重原子核分裂成几个轻原子核的过程,核聚变是几个轻原子核聚合为质量更重的原子核的过程。 目前世界上的核电站都是通过核裂变方式制造电能的,但是核聚变比核裂变能产生更多能量,而且更高效、清洁。最常见的核聚变是由氢的同位素氘和氚聚合成较重的原子核如氦而释出能量。

  核聚变有着诱人的前景。地球上蕴藏着丰富的核聚变原料。据测算,每升海水中含有0.03克氘,所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍,可以说是取之不竭的能源。如果把自然界中的氘用于聚变反应,释放的能量足够人类使用100亿年。至于氚,虽然自然界中不存在,但靠中子同锂作用可以产生,而海水中也含有大量锂。 

  其实早在约100年前,世界著名物理学家爱因斯坦就预见到在原子核中蕴藏着巨大的能量。1939年,美国物理学家贝特证实,一个氘原子核和一个氚原子核碰撞,结合成一个氦原子核,并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现,揭示了太阳“燃烧”的奥秘。 

  于是,制造一个装置,通过受控热核聚变反应获得无穷尽的新能源,成为全世界许多科学家的梦想。“这就相当于人类为自己制造一个或数个小太阳,源源不断从核聚变中得到能量。”

  国际热核实验反应堆(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)计划也被称为“人造太阳”计划,由欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度等7方共同参与,与国际空间站、欧洲大型强子对撞机、人类基因组计划一样,是一个庞大的国际科技合作项目,需要多国科学家合作才能完成。其目的是借助氢同位素在高温下发生核聚变来获取丰富的能源。其原理类似太阳发光发热,即在上亿摄氏度的超高温条件下,利用氘、氚的聚变反应释放出核能。核聚变燃料氘和氚可以从海水中提取,核聚变反应不产生温室气体及核废料。由于原料取之不尽,不会危害环境,这一计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用核聚变能,从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程,因此,意义和影响十分重大。

  专家认为,在核聚变反应堆里,氘、氚等原子聚合后,变成更重的原子。这和通过分裂而释放能量的核裂变截然不同,人们需要进行许多实验来了解有关反应的特性。此外,要在地球上使用受控的核聚变反应堆,就必须把气体加热到超过1亿摄氏度。这在工程和材料上的挑战将非常艰巨,据了解,要建造这一“人造太阳”,需要成千上万吨的混凝土和钢铁,而且还需要多种罕见的物质,比如铍、铌、钛和钨,以及低温液氮和液态氦。当然,最为关键的是,还需要大量核燃料。所有这些原料最终将会制造出国际热核聚变实验反应堆,从而在热核聚变领域取得重大突破。

  二、核聚变难度堪比登天

  人造太阳的前景如此美好,那么为什么我们的电网中还没有热核聚变产生的电能呢?

  尽管热核聚变实验反应堆的概念非常简单,但是实现起来却是另外一回事。因为原子核在热核聚变时并不积极,每个原子核都带有一个正电荷,它们之间互相排斥。因此在常规状态下让两个原子核结合起来几乎是不可能完成的。只有达到惊人的高温,原子核才能获得足够的能量克服相互间的排斥,成功撞击,最终实现核聚变。

  太阳内部也是同样的场景。在太阳内部,热量产生自氢原子核的聚变。但是氢原子核只有温度达到开氏1500万度才会慢慢开始热核聚变。太阳内部核燃料的消耗非常缓慢,因此太阳的寿命已经持续了数十亿年。

  然而在核聚变电站,核燃料需要在人类的时间尺度上进行聚变,而不能按照宇宙时间尺度进行。相对来讲,氢的重同位素氘、氚比氢更容易燃烧,但是,要想让氘氚在国际热核聚变实验堆内充分燃烧,温度必须达到天方夜谭般的开氏1亿5千万度。如此高的温度将会带来一系列难以克服的工程难题。特别是,如何控制比太阳内核温度高十倍的电子和原子核高温离子体。

  即使最坚固的建筑材料都不能承受超过数百开氏度的温度。因此科学家提出通过磁场给高温等离子体编织一个“笼子”。ITER采用了若干个小型热核聚变反应堆所采用的设计方法,在这些实验中已经实现了核聚变所需的恐怖高温。

  据悉,国际热核聚变实验反应堆将采用1968年由苏联人发明的托卡马克装置。托卡马克又称环流器,是一个由环形封闭磁场组成的“磁笼”,高温产生的等离子体就被约束在类似于面包圈的磁笼中。托卡马克装置通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,并实现人类对聚变反应的控制。国际热核聚变实验反应堆中的托卡马克装置是一个直径超过12米、容积达837立方米的环形容器,里面环绕着超导电磁线圈。环形托卡马克装置外部的磁体能产生强烈的螺旋型磁场,能够约束热核聚变中产生的超高温等离子体。为了打造这一巨大的磁性笼子,国际热核聚变实验反应堆项目需要超过10000吨的铌合金制成的超导线圈,并且要用低温液态氦气来降温。

  三、技术难关与解决方案

  1.超高能量的必要性和危害性

  聚变燃料在“磁笼”以三种不同方式同时燃烧:电子线路发射电流穿过等离子体、微波加热以及环形磁场线圈周围的微粒加速器发射高能原子对其进行轰击。即使多策并举,时至今日所有的托卡马克都没有产生太多的聚变能。为了获得更大的突破,国际热核聚变实验反应堆将会启动一部更加巨大、密度更强的等离子环形磁场线圈。假如计划全部实现的话,则需要多十倍的能量才能激发出等离子。

  如此高的能量会给国际热核聚变实验反应堆带来威胁,因为“磁笼”并非牢不可破的。活动剧烈的等离子体会发射出X射线,溢出带电粒子。而且,聚变反应将产生电中性且不受磁力吸引的高能中子。尽管有“磁笼”约束,国际热核聚变实验反应堆的等离子体很可能会以每平方米数兆瓦的热量将外壁炸开,其破坏力将远远超过此前的任何托卡马克或常规核裂变反应堆。

  2.如何使反应仓坚不可摧

  解决能量问题的方案貌似简单:用水冷回路将热量转移至热交换器,最终形成蒸汽。负责ITER反应器内部食物的马里奥?梅罗拉说:“显而易见,这就是我们最希望通过核聚变反应所获取的东西—提取热能。”

  但是,可操作性才是问题的关键。反应堆主承重壁,又称再生区,由440块半米厚的不锈钢板组成,并钉进很多高压水管。这些不锈钢墙壁将吸收绝大部分的中子,这些中子会使墙壁从内部升温。水管相距不锈钢内壁不超过2.5厘米,否则中间的钢板就会因温度太高而变软。

  直接面对等离子体的内层钢板则不起作用。射入的等离子体会将钢板上的金属原子击发出并送进反应盒,污染那里的燃料和降低聚变反应的强度。为此,国际热核聚变实验反应堆研究团队选择用铍制成的瓷砖贴在墙壁上。虽然对人体有毒,但铍却非常适合抑制等离子破坏。它是一种轻元素,其原子重量非常接近氘和氚的原子重量。所以,尽管部分铍会从墙壁上爆发出去,也不会扑灭反应堆的火焰。

  钢板和铍板也会被通过的电流和磁场的机械力量击伤。每块四吨重的金属板要承受一百吨的压力,因此它们必须要牢牢地固定、坚不可摧,哪怕上面有安装水管的洞孔。“再生仓的设计是整个反应堆中技术最难的部分之一。”梅罗拉说。

  反应仓的底部也需要高强度的装甲板,并使用一种称作“偏滤器”的特殊装置以保持等离子体的纯度。聚变反应的主要副产品是氦核子,如果积累太多的话,将会扑灭反应中的核子烈焰。偏滤器的作用在于过滤掉等离子体的最表层,将其冷却并吸走,从而移除掉“氦垃圾”和其他杂质。偏滤器表面将非常灼热,单单是铍很容易熔化,因此要覆盖上熔点高达3000开氏温度的钨丝和碳纤维。

  3.克服边缘局部化模态的破坏力

  国际热核聚变实验反应堆的外壁能够利用水来降温,以抵御等离子线圈发射出的持续热量。但这还不是反应堆必须要面对的最大问题。托卡马克内部的等离子体在很多方面都和太阳相似,例如线圈也会突然产生一种称作“边缘局部化模态”的剧烈反应。在千分之一秒的瞬间,等离子线圈表面迅速膨胀,爆炸出大量的粒子。“看起来就像太阳耀斑一样。”国际热核聚变实验反应堆研究员阿尔伯托?罗雅特说。

  “困扰我们的问题在于释放的粒子不仅数量庞大,而且具有一定的区域性和方向性,可能会产生每平方米数十亿瓦特的力量,那将是阳光照射地球功率密度的一百万倍。”罗雅特解释道。虽然单个的“边缘局部化模态”非常短暂,但其放射的能量也足以使表层的铍、钨或碳瞬间蒸发。假如“边缘局部化模态”每秒钟会出现几次的话,最坚固的装甲也会灰飞烟灭。

  但是,国际热核聚变实验反应堆团队计划将冰块投进燃烧的火焰中来解决这个问题。该技术在上个世纪90年代应用于德国慕尼黑附近加兴市一个称作“偏滤器实验器”的反应堆。与其他的托卡马克一样,偏滤器实验器也需要把燃料放置在在等离子线圈上,为此它安装了一部气动喷枪,将冷却的氘球发射到线圈盒中。

  偏滤器实验器的研究者发现,当氘球射到等离子时,会产生边缘局部化模态一样的爆发现象,大量的气体瞬间释放。因此可以通过确定发射氘球的时间和方向来降低边缘局部化模态的力度。“你可以选择连续性地发射氘球,从而使边缘局部化模态规模变小,并降低爆炸的破坏力。”罗雅特说。

  当然,这种控制方法也并非完美无缺:边缘局部化模态最终会穿透反应堆的内壁,因此必须要有另外一层防御设施。2006年,在位于美国加州圣迭戈通用原子公司的DIII-D托卡马克试验中,物理学家发现他们能够利用反应堆内的一排小磁环来阻止边缘局部化模态的集中出现。小磁环放置在保护墙的后面,形成微弱的磁场,扰动等离子的表面,在一定程度上阻止了边缘局部化模态的爆发。“我们还无法从理论上清楚地解释这种现象。”罗雅特说。

  上述两种方法在英国牛津附近的JET聚变反应堆被进一步改进,但最终的试验将在国际热核聚变实验反应堆进行,以验证它们是否能够在不释放太多等离子和影响聚变反应的前提下控制住边缘局部化模态。

  4.令人不寒而栗的中子爆炸

  中子是另一个潜在的威胁。聚变反应堆芯产生的高能中子会整个反应堆温度升高,破坏它们碰到的任何结晶体,坚硬的金属也会变得脆弱不堪。反应堆引发的中子爆炸将远比我们在地球上看到的一切爆炸都更加剧烈—整个反应堆会不会被炸得粉身碎骨呢?

  梅罗拉深信这种情况不会发生。保护壁会采用奥氏体不锈钢。这是一种用于家庭餐具上的钢材,具有高弹性晶体结构,即使在很多原子遭到破坏的情况下仍具有足够的强度。“奥氏体不锈钢抗击打能力是非常强的。”梅罗拉说。

  核聚变始终是充满争议,特别是由于需要源源不断的巨额投入。单单是国际热核聚变实验反应堆就需要100亿美元。怀疑论者还指出,核聚变支持者于二十世纪五十年代就提出会开发出取之不尽、用之不竭的清洁能源。但半个多世纪过去了,实现的前景仍然遥遥无期。

  国际热核聚变实验反应堆团队显然希望这一天尽快到来。如果他们能够在反应堆成功取得实质性突破,最终实现核聚变发电的梦想也许真的为期不远了。

(责任编辑:杨晓曼(实习))
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