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激光核聚变接近临界点:世界能源结构将改写

华股财经 2012年08月28日 10:04:14 来源:互联网
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  美国国家点火装置的工程师正在检查核聚变反应炉。

  国家点火装置(NIF)接近能量临界点,一旦成功,世界能源结构将被改写。但目前,NIF仍然面临一系列不确定性。

  撰文埃里克・汉德(Eric Hand)

  翻译刘荣

  或许在今年,美国国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)将变得名副其实。这个耗资35亿美元的装置坐落在美国加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室内,能产生世界上最大的激光束,用来爆聚(implode,从内部引爆)一个氢同位素标靶,触发核聚变,产生的能量将比输入的多得多。NIF的管理人员认为,为了达至临界点或者说“点燃反应堆”,他们进行了两年的工作,现在可以说是胜利在望。项目主管艾德・摩西(Ed Moses)表示:“我们完全有能力在2012财政年度内取得成功。”

  然而,这种方式仍然属于惯性约束核聚变(inertial confinement fusion),就算整个项目取得成功,也面临着不确定的未来。实验成功是否就意味着,美国能源部会把它开发成一种经济可行的能源呢?如果是的话,那么NIF激光触发核聚变的方法是否是最佳方案呢?3月7日,美国国家科学院专家小组提交的一份中期报告总结道,现在下结论还言之过早。报告还建议核聚变科学家继续寻找引燃核燃料的替代性技术。

  美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的等离子物理学家格伦・乌尔登(Glen Wurden)同意报告的观点,并认为研究惯性约束核聚变的科学家不应该把宝全压在激光触发法上。他认为:“可控核聚变技术完全不成熟。”他指出,另一种核聚变方式――磁约束核聚变(magnetic confinement fusion)以及这种方式的标志性项目、耗资210亿美元的国际热核聚变实验堆(ITER)也遇到了很多困难,以至于研究停滞不前。ITER进展迟缓,研究费用不断膨胀,都归咎于一项不成熟的技术,即托卡马克装置(tokamak,受控热核反应装置),这是一个面包圈状的笼子,里面的强力电磁铁禁闭着一个核聚变等离子体。

  尽管科学家最初信心百倍,计算机模型模拟也非常有利,NIF项目同样没能按预期进度前行。乌尔登表示:“科学家以为‘点燃’反应堆犹如探囊取物。”然而,NIF对氢同位素进行加温加压的过程麻烦不断。在一个叫做间接传动(indirect drive)的过程中,多束激光束会从橡皮擦大小的“辐射空腔”(hohlraum,一个金质圆筒)的两个开口射入,使其内部产生X射线。之后,由X射线来加热并挤压辐射空腔内的核燃料(氢同位素标靶),触发核聚变。然而,在辐射空腔内部,激光与等离子体之间发生了意料之外的涡流交互作用,吸收了来自激光束的能量。这会抵消很多能量,使NIF的激光能量输出达不到点燃反应堆所必须的极限阈值。

  不管怎样,NIF的研究团队已经进入了稳定的实验阶段。18个月前,当科学家开始向点火目标推进时,该设施仅完成了预想中点火必要条件的1%。现在,完成度已经到达10%,而且进程正在加快:仅今年1月就有创纪录的57次轰击。研究团队同时也在探索一系列调整方案,包括用铍或金刚石替代塑料来包裹核燃料,以及改变辐射空腔的材质或形状。摩西表示,他们还可能把NIF的极限能量从1.8兆焦(只有达到这个能量级别,才能做到“收支平衡”)提升到2.2兆焦。

  但如同美国国家科学院的报告所指出的,其他方法可能会提供一个更简单的途径来点燃反应堆,最终成为一个有实用价值的电厂。那么谁在为这些研发付钱呢?美国及世界范围内大多数惯性约束反应堆的研究,都是由涉及国家安全和武器研发的联合企业所资助的,它们研究核聚变是为了武器开发,而不是用于民用电厂。现在,激光惯性约束核聚变研究受美国能源部下属的国家核安全局(NNSA)监管,NNSA的主要职责是负责管理核储备。

  而在能源部的科学办公室,几乎没有资金划拨给惯性约束核聚变的研究。大多数资金都用在支持磁约束核聚变上,而且越来越多的资金给了ITER项目。马里兰州盖瑟斯堡的美国聚变能协会(Fusion Power Associates)是一个核能倡导团体,负责人斯蒂芬・迪恩(Stephen Dean)认为,就算专家小组的最终报告认为,惯性约束核聚变能源项目可行,这项研究还是很难在科学办公室找到一席之地。迪恩表示:“我想,能源部会直接无视它,明显他们只对ITER情有独钟,而且正疯狂地想要拯救这个项目。”

  如果NIF的科学家能在2013拿到他们所需的4.6亿美元经费,他们就能探索其他方案。比如,美国罗切斯特大学的等离子物理学家团队打算调整NIF的激光,这样他们就能不使用辐射空腔,而直接爆聚一个氢同位素标靶。

  但NIF的科学家并没有坐等替代方法的出现。早在点火装置之前,他们就积极准备着下一个项目,一个叫做激光惯性聚变能(Laser Inertial Fusion Energy,LIFE)的示范电站。民用电厂要经济实用,生产的能量必须比每次轰击标靶所输入的能量多50倍以上,而且必须提高重复使用效率,从一天数次轰击变为每秒15次,但这绝非易事。

  事实上,这个多孔状的NIF设施就是LIFE的反应室的放大模型,而LIFE的反应室是模块化的,这种模块小到足以装进卡车。NIF的设计使用的是上千只巨大的频闪灯管来为玻璃激光器充能,LIFE则将使用小巧的、晶体管充能发光体。摩西反驳了激光作为未来的核聚变电厂的驱动力还言之尚早的说法。他认为,通过对用于民用电子产品上的激光和晶体管的投资,市场和公众已经做出了选择。如果回顾一下过去,那么“人们会发现,晶体管和激光是具有划时代意义的发明”。

  LIFE的项目主管麦克・杜恩(Mike Dunne)认为,他们的电厂单个造价大概40亿美元,可在本世纪20年代初为电网提供数亿瓦特的电能,要比科学家预计的、第一座磁约束核聚变电厂的出现时间至少早10年。回忆起几年前在一个学术会议上,向磁约束核聚变的研究者介绍LIFE项目的理念时,摩斯说道:“他们反应相当激烈地说,‘这不可能’。他们当时就被这个项目的雄心壮志所震撼,如今他们仍会感到震撼。”

  本文由《科学美国人》中文版《环球科学》授权转载

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