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迟到的人造太阳


 

人类的文明史,归根到底是一部能源利用史。工业革命至今200多年的时间内,人类对于能源的利用更是达到了登峰造极的程度:从传统的石油、天然气等化石能源,到太阳能、风能等可再生能源,一直到利用裂变发电的核能。

但这一切却无法打破一个“怪圈”:迄今为止,我们仍无法找到可持续的能源“终极”解决方案。最可能的解决方案,或许来自太阳,假如我们能在地球上人工“复制”一个太阳,一切都将迎刃而解。

2月13日发表在英国《自然》杂志上的论文,让人类追求复制太阳的道路,看到了一丝曙光,但是即便如此,就算是按照最乐观的估计,要实现利用聚变能发电的梦想,可能还要许多年。

这篇文章透露,美国国家点火装置(NIF)的科学家现已通过实验证明,核聚变反应释出的能量比燃料吸收的能量多。这就证明,人为引发可控核聚变,已经不是一个亏本的买卖,相当于这把火“点着”了。

要“启动”核聚变过程,就必须制造出与太阳内部类似的极端环境,在温度达到5000万度到1亿度之间的同时,还要保持很高的密度,这些都很难达到。之前,人类只有通过原子弹爆炸,才达到这样的极端条件,这也是氢弹的原理,但这是不可控的。

鉴于地球上现存的任何材料,都难以抵御这种极度高温,科学家设想出两种巧妙的途径,来逼近这一目标。一种被称为磁约束。上个世纪70年代,前苏联科学家提出了“托卡马克”的概念,就是利用环形封闭磁场组成的“磁笼”,把这些燃料加热到极高的温度并约束起来,使其不会碰到任何有形的容器壁。

目前,中国正在安徽合肥运行的EAST装置,以及即将于2016年投入运行的国际热核聚变装置(ITER),都是利用的这一原理。

另外一种则是象NIF这样的惯性约束方式。其原理是利用超强的激光或者其它粒子束,直接照射在用氘氚等做成的燃料靶丸上,靶丸的外层会在瞬间融化并且向外喷溅。由此产生的反作用,就会急剧地向内压缩靶丸的剩余部分,使其中心达到聚变所需的极端条件,实现点火。

这192束激光,会从两个相对的方向进入直径约10米的靶室中。不过,这些激光并不是直接照在由氘、氚等核聚变燃料组成的靶丸上;相反,它们是先照在金子做的圆筒状空腔的内部上。这个只有硬币大小的空腔,在强激光的照射下,会产生大量的高能X射线;X射线会象流体一样向中心流动,从而使得靶丸沐浴在强“X射线雨”中。

此时靶的中心燃料密度会被压缩到原来的1万倍左右。在冲击波的作用下,这一点就会发生核聚变反应;然后,外面的大部分核材料也会发生连锁聚变反应,从而释放大于激光输入的能量。

之所以选择这种方式来实现点火,是因为空腔内部产生的X射线会更加均匀。如果各个方向压缩靶丸的能量在大小、时间上不一致的话,就无法达到理想的向心压缩效果进而实现点火。

此次通过国家点火装置,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室相当于实现了“燃料增益”。但论文作者提醒,这次观察到的“燃料增益”,是指核聚变能量高于燃料中能量,而不是用于压缩燃料芯块的总能量。如果包括后者的能量,就意味着系统产生的能量必须超过进入系统的能量,即实现“总增益”。

但是这一个看上去并不是那么让人满意的结果,也已经迟到了四年。

在1994年正式获准上马之后,科学界就对NIF望穿秋水,因为它很可能成为第一个实现“点火”的可控核聚变装置。但是不仅它的总投资,已经从最初的10亿美元一路飙升至落成时的35亿美元,此后又飙升到70亿美元,但是点火的目标迟迟没有完成。

2009年5月29日,国家点火装置(NIF)在美国旧金山郊区的正式落成,当时研究人员估计,该装置于2010年正式运行后,可以很快实现“点火”,即实现核聚变产生的能量大于激光输入的能量。之前,科学家曾经一度非常乐观,认为只要激光能量能达到千焦耳量级,就可以成功点火;到了项目落成时,实现点火的边界已经被抬高到了百万焦耳的水平。

但是到了2012年,这个已经超支50亿美元的项目,由于迟迟无法达到目标,为了争取经费,主管们开始将NIF作为一种核武器仿真测试手段向国会和能源部推销。虽然当时有核武器专家指出,NIF的实验与核武器测试直接相关是错的,其中的温度远远低于真正的核武器所产生的温度,而且用来测试的物质的量也小许多。但这并未能源部推动该项目和国会也为其提供进一步的经费。

由于这次实现了“点火”的目标,NIF主管们又可以挺直腰杆,名正言顺的说,“NIF的目标是创造清洁、取之不尽的能源”了,但是在在NIF上,科学家最多有望获得五倍到十倍的增益。即聚变产生的能量,将五倍到十倍于输入的激光能量。然而,即使实现这一目标,距离最终的核聚变发电仍然十分遥远。

因为要产生强大的激光,电力消耗十分惊人;通常,从电力转换成激光能,效率往往不足10%。而核聚变产生的能量,大部分都是以高能中子的形式存在的;包围材料要先将中子能转变为热能,再用来发电,其中又难免能量损失。所以增益要达到几百倍,才可能用来规模化发电。

此外,要以百万千瓦的规模连续地输出电能,就需要在一秒钟中实现打靶10次以上。而目前,铷玻璃激光器两发之间的时间间隔,往往要以小时计,这显然难以满足未来产业化的要求。

很显然,即使NIF上的科学验证取得成功,要真正把聚变能变成一种可以依赖的“终极能源解决方案”,也要有一段漫长的路程要走,包括新的半导体技术、材料技术的突破等。

在NIF之后,美国还制定了雄心勃勃的LIFE(激光惯性约束聚变能)计划,希望把聚变能真正从实验室推向能源第一线。根据劳伦斯·利弗摩尔国家实验室的预测,到2030年前后,第一座商业化的聚变电站就可能成为现实。按照最乐观的估计,到2100年前后,美国可能会有高达2/3的电力供应,都来自LIFE。

实际上,中国也有自己的人造太阳。早在1976年,在上海光机所,中国首个激光核聚变装置-六路激光正式建成,并投入使用。进入上个世纪80年代后,该所又成功地建成了“神光1号”装置。虽然1986年投入运行的“神光1号”只有两路激光,但总能量却提高了一个量级。此外,在位于四川绵阳的中国工程物理院,规模略小一些的“星光”激光聚变装置也投入使用。

2001年,拥有八束激光的“神光2号”建成投入使用,这个激光总能量约为3千焦耳的装置,正式接替了1994年退役的“神光1号”。此后,“神光2号”也增加了能量约为3千焦耳的第九路短脉冲激光,以探索“快点火”机制。

不过,更令人关注的,仍然是正在建设之中的“神光3号”。“神光3号”设计为60束强激光,总输出能量达60千焦耳;虽然还无法与美国的NIF、法国的LMJ相比,但这仍然是个不小的飞跃。

中国也将启动自己的NIF装置,即“神光4号”。中国政府在《国家中长期科学和技术发展规划》中确定的十六项重大专项中,就有惯性约束聚变点火工程。如果一切顺利,中国亦有望在2020年前后,实现点火这一科学目标。

 

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