翔雨

美國加利福尼亞州的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室日前宣布，其核聚變能源研究取得了重大進(jìn)展，聚變產(chǎn)生的能量第一次超過了激發(fā)聚變所需的能量。這意味著核聚變將有可能為人類未來帶來幾乎取之不盡、用之不竭的能源。

勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家奧馬爾·哈利肯等研究人員是核聚變實(shí)驗(yàn)的主要負(fù)責(zé)人。哈利肯說：“從聚變?nèi)剂现械玫降哪芰砍^了激發(fā)聚變所需的能量，這是非比尋常的進(jìn)展?！?/p>

核聚變能源與化石燃料或者核電廠的原子能裂變不同，它能夠提供充足的能源，且不會產(chǎn)生污染、放射性廢棄物或者溫室氣體——盡管科學(xué)家也承認(rèn)，核聚變?nèi)剂先孕枰S多年時(shí)間才能轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際生活中可以使用的能源。

事實(shí)上，為了開發(fā)聚變能源以減少人類對石油和其他化石燃料的依賴，美國與其他國家已經(jīng)投資了數(shù)百億美元。例如英國卡勒姆聚變能源中心和美國普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室就一直致力于研究磁約束聚變能源——將等離子體放置在磁性容器中加熱，直到原子核融合。

人造太陽再現(xiàn)突破

在許多科幻小說中，經(jīng)常提到了未來人類通過便攜式核聚變堆獲得能量的一幕。事實(shí)上，核聚變向來被認(rèn)為是未來人類使用的先進(jìn)能源之一，也是宇宙中非常常見的能量釋放形式，太陽就是通過核聚變產(chǎn)生源源不斷的能量。如果人們能實(shí)現(xiàn)對核聚變過程的精密控制，就可能為全世界提供廉價(jià)的能源。

位于加利福尼亞州利弗莫爾的國家點(diǎn)火裝置（NIF）是目前正在研制可控核聚變技術(shù)的數(shù)個(gè)世界實(shí)驗(yàn)室之一。國家點(diǎn)火裝置擁有192具世界上最強(qiáng)大的激光器，它們能形成相等數(shù)量的激光，并在極短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)激發(fā)并命中中央的“燃料球”，后者被瞬間加熱到數(shù)百萬度，這一過程被稱為“點(diǎn)火”，形成核聚變反應(yīng)后就可以產(chǎn)生能量。在以往的實(shí)驗(yàn)中，“點(diǎn)火”反應(yīng)后形成的能量還不及激光器輸入的能量，但這一次科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了釋放能量大于消耗能源，其意義是不言而喻的。

聚變能源的生成有兩類方式。勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注的是慣性約束聚變能源，也就是使用激光來壓縮燃料芯塊，借以觸發(fā)聚變效應(yīng)。在本次實(shí)驗(yàn)中，研究人員將激光脈沖的功率比前次提高了一倍，激光束聚焦在一個(gè)直徑不到約2毫米的靶丸上，該靶丸內(nèi)含有包括同位素重氫和超重氫的聚變?nèi)剂?。燃料被涂抹在靶丸?nèi)側(cè)，其固化層的厚度還不及人類的頭發(fā)。在極高溫度下，重氫和超重氫的原子核融合，釋放出中子和“阿爾法粒子”，進(jìn)而獲得能量。

“點(diǎn)火”條件苛刻

事實(shí)上，在去年年底進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)中，NIF研究人員獲得的能量輸出已經(jīng)是之前記錄的10倍，并且演示了自動加熱現(xiàn)象。要實(shí)現(xiàn)所產(chǎn)出的能量多于消耗的能量， “點(diǎn)火”這一步至關(guān)重要。

為了達(dá)到核聚變所必需的極端條件，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）等設(shè)備一般使用高能磁場束縛燃料，并利用粒子束進(jìn)行加熱。NIF則采用不同的方法：利用激光脈沖爆炸微小燃料樣本，從而產(chǎn)生小型核聚變激增。如果一切正常，爆炸將產(chǎn)生比激光脈沖更高的能量，實(shí)現(xiàn)凈能量增益。為此NIF打造的激光裝置足足約有一個(gè)露天足球場的大小， 192支紫外線光束在持續(xù)1納秒的一個(gè)脈沖中能夠傳遞1.9兆焦能量，大約相當(dāng)于一輛2噸卡車每小時(shí)行駛160公里的動能。

紫外線光束能夠轉(zhuǎn)變成X射線，然后襲擊燃料膠囊——一個(gè)比花椒略小的中空塑料球，里面容納了0.17毫克凍結(jié)的氘和氚。強(qiáng)烈的X射線脈沖擊中燃料膠囊后能引起一些塑料發(fā)生爆炸，這也迫使剩余的塑料和凍結(jié)的燃料向中心高速聚攏。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，足夠的熱量和密度將會引發(fā)核聚變反應(yīng)。模擬結(jié)果也顯示NIF確實(shí)能實(shí)現(xiàn)一些核聚變。但此前的實(shí)驗(yàn)講述了一個(gè)不同的結(jié)果：能量輸出非常低。

2012年，國會進(jìn)行了相關(guān)調(diào)查工作，最終指責(zé)NIF研究人員未能解釋模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的分歧。2013年，NIF科學(xué)家開始更系統(tǒng)地探索問題的所在，并且實(shí)驗(yàn)室更換了新領(lǐng)導(dǎo)人，也有新科學(xué)家加盟該隊(duì)伍。

最終，他們認(rèn)為存在的主要問題有兩個(gè)。燃料芯塊壓縮時(shí)常出現(xiàn)不對稱情況，并產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形的燃料團(tuán)。而在內(nèi)爆時(shí)，塑料膠囊會發(fā)生爆炸，并與燃料混合在一起，使其最終難以引發(fā)核聚變。

飛躍的實(shí)現(xiàn)

為了解決具體問題，新研究隊(duì)伍對所有激光束的輸出進(jìn)行了調(diào)整，在不同地方實(shí)施不同的照射力度，以期獲得更均勻的內(nèi)爆。為了避免塑料膠囊解體，研究人員還調(diào)整了激光脈沖時(shí)間。

一般而言，20納秒內(nèi)，科學(xué)家一開始主要使用低功率激光進(jìn)行轟擊，以便在未加熱燃料的情況下促使內(nèi)爆移動，最后激光以突然的高功率引發(fā)核聚變。使用“低起步”背后的理論是，冷燃料最終可能被壓縮到更高的密度。但缺點(diǎn)在于較低的速度使得膠囊有時(shí)間爆炸。

美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室等離子物理學(xué)部激光等離子分部主任StephenObenschain表示，在低功率激光的沖擊下，“有太多有害的事情可能出現(xiàn)，你無法看到發(fā)生了什么?！?/p>

NIF新研究小組決定嘗試使用初始能量就稍高的激光脈沖進(jìn)行轟擊，以便燃料更快地出現(xiàn)內(nèi)爆，并且在15納秒之后就更快地結(jié)束脈沖。研究人員希望這種方法能有助于控制燃料的混合。去年8月13日進(jìn)行的一次激光轟擊實(shí)驗(yàn)證明他們的想法是正確的，并且實(shí)現(xiàn)了能源輸出量的飛躍。此后的兩次實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果越來越好，產(chǎn)生的能量（14.4千焦和17.3千焦）比內(nèi)爆過程中沉積在核聚變?nèi)剂侠锏哪芰浚?1千焦和9千焦）更多。

這是有史以來第一次在激光核聚變實(shí)驗(yàn)里實(shí)現(xiàn)這樣的能量輸出。奧馬爾·哈利肯在新聞發(fā)布會上表示：“相比之前的實(shí)驗(yàn)，我們向后退了一小步，而這一小步成為我們向前邁出了一大步的鋪墊。”

兩種方法

事實(shí)上，除了NIF研究的慣性約束核聚變以外，最先被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)是磁約束。為實(shí)現(xiàn)磁約束，需要一個(gè)能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的環(huán)形磁場的裝置。上世紀(jì)50年代，這種裝置被稱作“托克馬克”裝置。

倡議于1985年的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃，是目前全球最大的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國、印度和中國共同參與。ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的“超導(dǎo)托克馬克”。作為聚變能實(shí)驗(yàn)堆，ITER計(jì)劃把上億攝氏度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達(dá)837立方米的磁場中間，產(chǎn)生50萬千瓦的聚變功率，持續(xù)時(shí)間達(dá)500秒。不過，目前為止，該項(xiàng)目還一直在追加預(yù)算，在工程技術(shù)上也依然存在問題，進(jìn)展遲緩。事實(shí)上，科學(xué)家指出，ITER還只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，即使ITER獲得成功，還要建造新的聚變反應(yīng)堆才可能進(jìn)入能源實(shí)用化階段。

而磁約束之所以比慣性約束更被看好，還有一個(gè)原因是，不少國家的專業(yè)人員一度懷疑NIF是由涉及國家安全和武器研發(fā)的政府和聯(lián)合企業(yè)所資助的，其設(shè)計(jì)初衷是用于測試核武器的可靠性，是美國“無爆炸核試驗(yàn)”的一部分，他們研究核聚變是為了武器開發(fā)，而不是用于民用電廠。此外，NIF也能被用來模擬超新星、黑洞邊界、恒星和巨大行星內(nèi)核的環(huán)境而進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)。但美國核武器獨(dú)立專家理查德·加溫曾在接受媒體采訪時(shí)表示，NIF裝置中的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于真正的核武器所產(chǎn)生的溫度，他并不支持慣性約束的研發(fā)與核武器測試直接相關(guān)。

Tips

可控核聚變

核聚變，即輕原子核（例如氘和氚）結(jié)合成較重原子核（例如氦）時(shí)放出巨大能量的一種核心反應(yīng)形式。核聚變較之核裂變有重大優(yōu)點(diǎn)。地球上蘊(yùn)藏的核聚變能遠(yuǎn)比核裂變能豐富得多。利用激光核聚變原理建造的發(fā)電站稱為可控聚變能電站，這種電站的主要燃料是氘。氘大量存在于海水的重水之中，特別是海洋表層3米左右的海水里。據(jù)測算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經(jīng)過核聚變可提供相當(dāng)于300升汽油燃燒后釋放出的能量。我們?nèi)粘Ｊ褂玫乃幸埠写罅康臍洹Ａ硗?，從地殼中開采的氫也可以為聚變反應(yīng)堆提供大量的燃料。據(jù)推算，利用氫聚變可以輕而易舉地為人類提供5000萬年之久的能源，可以說是真正意義上的取之不盡，用之不竭的能源。endprint