李會(huì)超
太陽(yáng)每天東升西落,給予地球光和熱。植物利用太陽(yáng)光的能量,可以進(jìn)行光合作用,為地球提供源源不斷的氧氣和有機(jī)物。煤和石油等化學(xué)燃料中蘊(yùn)含的能量,歸根結(jié)底也來(lái)自遠(yuǎn)古植物的光合作用。所以,可以說(shuō)太陽(yáng)就是地球的能量之源。
我們已經(jīng)知道,太陽(yáng)的光和熱來(lái)自“核聚變”。那么,核聚變到底是什么?它的威力有多大呢?一起來(lái)探秘吧!
汽車在行駛時(shí)能夠?qū)⑷加偷幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)汽車的動(dòng)能;煤爐在燃燒時(shí)會(huì)將煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能(也稱“內(nèi)能”);火力發(fā)電廠則是將煤或石油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供大家使用。在我們的日常生活中,燃燒煤和石油,是獲取能量最常見(jiàn)也是最便捷的方式。在燃燒產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)中,化合物中的原子改變了組合的方式,但原子本身的元素種類沒(méi)有改變。
20世紀(jì)初,物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種更有效的釋放能量的方式——核反應(yīng)。與化學(xué)反應(yīng)不同的是,在核反應(yīng)過(guò)程中,原子本身的元素種類會(huì)發(fā)生改變。核反應(yīng)后生成的物質(zhì)質(zhì)量比核反應(yīng)之前要小,而減少的那部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了能量。
核反應(yīng)分為核聚變和核裂變兩種。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),核聚變是幾個(gè)小原子核聚合成一個(gè)大的原子核,而核裂變則是一個(gè)大原子核裂變成幾個(gè)小原子核。早在“二戰(zhàn)”末期,人們就已經(jīng)開(kāi)始利用原子能制造威力巨大的新型武器——原子彈。1945 年,美國(guó)向日本的廣島和長(zhǎng)崎投下兩顆原子彈,給日本造成了巨大的災(zāi)難,使日本最終放棄抵抗,無(wú)條件投降。而這也是原子彈在實(shí)戰(zhàn)中的唯一一次應(yīng)用?!岸?zhàn)”之后,美國(guó)和蘇聯(lián)相繼研發(fā)了威力更大的氫彈。氫彈和原子彈一樣,也都是利用核反應(yīng)釋放的巨大能量,爆炸產(chǎn)生殺傷力。但氫彈與原子彈不同的是,氫彈利用的是核聚變反應(yīng),而原子彈利用的是核裂變反應(yīng)。
無(wú)論原子彈還是氫彈,都是不可控的核反應(yīng)形式。它們可以在戰(zhàn)爭(zhēng)期間快速摧毀敵方的城市,卻不能在和平時(shí)期為人們所用。在原子彈出現(xiàn)之后,人們又發(fā)明了可以控制的“核裂變反應(yīng)堆”。在反應(yīng)堆中,人們可以通過(guò)注入粒子的數(shù)量控制核反應(yīng)的速率,從而讓核反應(yīng)緩慢逐步地發(fā)生。在民用領(lǐng)域,核反應(yīng)堆被應(yīng)用到核電廠發(fā)電;而在軍事領(lǐng)域,核反應(yīng)堆則為核動(dòng)力航空母艦和潛水艇等提供了強(qiáng)勁而持續(xù)的動(dòng)力。
目前,可以使用的核裂變?nèi)剂霞昂朔磻?yīng)之后的生成物,都具有對(duì)人體和環(huán)境有害的放射性。因此,無(wú)論是核反應(yīng)堆的日常運(yùn)行,還是核廢料的處理,都要特別小心。
與核裂變相比,核聚變使用的原料更加清潔,放射性污染的風(fēng)險(xiǎn)更小。然而,核聚變發(fā)生的條件十分苛刻,目前人們還沒(méi)有完全掌握可控的核聚變技術(shù)。但是,你知道嗎,一種可控的核聚變已經(jīng)在太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行了幾十億年。
核聚變只有在原子克服了彼此之間的超強(qiáng)靜電斥力,彼此接近到距離非常近的程度時(shí)才有可能發(fā)生。在引爆氫彈時(shí),觸發(fā)核聚變靠的是先行引爆的一顆小型核裂變?cè)訌椝a(chǎn)生的溫度和壓強(qiáng)。而太陽(yáng)這樣的恒星,發(fā)生核聚變靠的則是自身物質(zhì)在重力作用下的擠壓。在太陽(yáng)形成的過(guò)程中,原始星云的物質(zhì)不斷向中心收縮,中心的密度和壓強(qiáng)持續(xù)增高,迫使氫原子核相互接近,進(jìn)而觸發(fā)了核聚變反應(yīng),形成了原恒星。
當(dāng)太陽(yáng)由原恒星成長(zhǎng)為一顆成熟的恒星后,核反應(yīng)的速率與恒星物質(zhì)的重力達(dá)到了精妙的平衡。如果太陽(yáng)從平衡態(tài)向外膨脹,中心受到的擠壓減小,核反應(yīng)的速率就會(huì)降低,產(chǎn)生的能量就會(huì)減少,恒星中心的溫度就會(huì)下降。這樣一來(lái),恒星中心向外膨脹的力無(wú)法支撐恒星向中心收縮的重力,膨脹過(guò)程就無(wú)法持續(xù)。相反,如果太陽(yáng)從平衡態(tài)向內(nèi)收縮,就會(huì)使核反應(yīng)加速,產(chǎn)生更大的向外膨脹的力,收縮過(guò)程同樣無(wú)法持續(xù)。總之,一旦步入壯年,太陽(yáng)向外擴(kuò)張便會(huì)后勁不足,向內(nèi)收縮又會(huì)受到很大的抵抗力,因此它只能保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),同時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定的可控核聚變。
在太陽(yáng)的內(nèi)部,核聚變反應(yīng)僅僅發(fā)生在日核區(qū),因?yàn)橹挥羞@個(gè)區(qū)域的密度和壓強(qiáng)能夠滿足核聚變反應(yīng)的要求。在日核區(qū)高溫高壓的環(huán)境下,太陽(yáng)中的氫原子持續(xù)而緩慢地發(fā)生核聚變反應(yīng)。4個(gè)氫原子將會(huì)聚變成1 個(gè)氦原子,同時(shí)釋放電子、高能伽馬光子和能量,以維持此處的高溫狀態(tài),使核反應(yīng)能夠持續(xù)下去。在日核區(qū)以外、最靠近日核區(qū)的圈層,核反應(yīng)產(chǎn)生的能量以輻射的方式向外傳播。再往外,能量傳播的主要方式變成了等離子體的對(duì)流。因此,這兩個(gè)圈層也被稱為輻射區(qū)和對(duì)流區(qū)。由于溫度的降低,這兩個(gè)層區(qū)內(nèi)沒(méi)有核反應(yīng)發(fā)生。高能伽馬光子與組成太陽(yáng)的離子、電子不斷碰撞,不斷重復(fù)“先吸收后輻射”的過(guò)程,形成了X 射線、紫外線、可見(jiàn)光等多個(gè)波段的輻射。我們能夠用肉眼察覺(jué)到的可見(jiàn)光,就主要產(chǎn)生于對(duì)流層以上的光球?qū)印?p>
雖然目前人類還沒(méi)有研發(fā)出像核反應(yīng)堆那樣成熟實(shí)用的人工可控核聚變裝置,但這方面的先驅(qū)性研究已有不少,其中研究進(jìn)展最明顯的是一個(gè)名為“托卡馬克”的裝置。這種裝置試圖像太陽(yáng)一樣,借助可控核聚變的方式來(lái)獲得能量,因此也被人們形象地稱為“人造太陽(yáng)”。
前面講到,要發(fā)生核聚變,就必須讓原子克服靜電斥力,相互接近。而這一過(guò)程,可以通過(guò)給物質(zhì)加熱的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。物質(zhì)的溫度越高,內(nèi)部粒子“四處亂撞”的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)就越劇烈。計(jì)算表明,在地球上可以產(chǎn)生的壓強(qiáng)下,需要把物質(zhì)加熱到數(shù)千萬(wàn)攝氏度以上,才有可能觸發(fā)核聚變反應(yīng)。然而,如此高的溫度,任何材料都無(wú)法承受,進(jìn)行核聚變反應(yīng)的容器會(huì)在瞬間被氣化,導(dǎo)致核聚變無(wú)法進(jìn)行。
為了解決這一問(wèn)題,科學(xué)家想到利用磁場(chǎng)的無(wú)形約束,來(lái)將高溫粒子束縛在容器內(nèi)部,并且與容器壁脫離。磁場(chǎng)之所以有這樣的本事,是因?yàn)樵谌绱烁叩臏囟戎?,物質(zhì)已經(jīng)被電離成等離子體態(tài),組成等離子體的離子和電子都是帶電粒子,能夠與磁場(chǎng)相互作用。“托卡馬克”就是這樣一種用磁場(chǎng)約束高溫等離子體,進(jìn)行核聚變反應(yīng)的裝置,它的形狀很像一個(gè)放倒的輪胎。高溫等離子體和“托卡馬克”外壁之間形成了一個(gè)接近真空的“隔熱層”,能夠保護(hù)外壁不被燒穿。
目前,僅有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家正在用托卡馬克裝置進(jìn)行可控核聚變研究。中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所的“東方先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克(EAST)”裝置,是目前世界上幾個(gè)先進(jìn)的托卡馬克裝置之一,它的磁場(chǎng)全部由超導(dǎo)系統(tǒng)(一種由電阻接近0的材料構(gòu)成的系統(tǒng),能夠穩(wěn)定產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng))產(chǎn)生。目前,EAST 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1000秒的點(diǎn)火時(shí)間。所謂“點(diǎn)火時(shí)間”,是指托卡馬克裝置內(nèi)的核聚變反應(yīng)被觸發(fā)后,能夠自發(fā)維持核聚變反應(yīng)的時(shí)間。1000秒的點(diǎn)火時(shí)間雖然不長(zhǎng),但在國(guó)際上已屬領(lǐng)先水平。
“認(rèn)識(shí)”太陽(yáng)使我們發(fā)現(xiàn)了核反應(yīng),而利用核聚變“制造”太陽(yáng)或許能夠在未來(lái)幫助我們拯救能源不足的地球。
診斷系統(tǒng)
“東方超環(huán)”在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),科學(xué)家們需要全程監(jiān)控它的各項(xiàng)反應(yīng)參數(shù)。然而,由于“超高溫度”造成的極限環(huán)境使得反應(yīng)參數(shù)很難直接測(cè)量,科學(xué)家們就“迂回”地采用光譜分析來(lái)推導(dǎo)里面的各項(xiàng)參數(shù)。因?yàn)檫@種方法很像醫(yī)生通過(guò)聽(tīng)診來(lái)判斷人的健康情況,所以極限環(huán)境下的測(cè)量系統(tǒng)又被稱為“診斷系統(tǒng)”。
微波加熱系統(tǒng)
采取家用微波爐的微波共振原理,通過(guò)數(shù)萬(wàn)倍于家用微波爐的加熱功率將聚變?nèi)剂系臏囟燃訜岬缴蟽|攝氏度,以達(dá)到核聚變所需的反應(yīng)溫度(相當(dāng)于數(shù)萬(wàn)個(gè)家用微波爐同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn))。
電流引線系統(tǒng)
將變電站中的“超大電流”(約為家用電流的1 萬(wàn)倍)輸入“東方超環(huán)”的通電線圈中,以此產(chǎn)生“超強(qiáng)磁場(chǎng)”。因該系統(tǒng)須暴露在室溫環(huán)境中,無(wú)法使用超導(dǎo)材料,所以電流引線很粗,并且外面還包覆一層水循環(huán)冷卻系統(tǒng)來(lái)降溫。
低溫分配系統(tǒng)
為“東方超環(huán)”上的超導(dǎo)材料分配低溫冷卻劑(主要是零下269 攝氏度的液氦),使超導(dǎo)導(dǎo)體達(dá)到所需的低溫,從而使“超大電流”在超導(dǎo)材料上能夠“無(wú)阻礙”地通過(guò)。
抽真空系統(tǒng)
“東方超環(huán)”同時(shí)存在著“上億攝氏度”和“零下269攝氏度”兩個(gè)極限溫度。真空是有效隔熱的主要手段,也是在地球上盛裝“上億攝氏度”聚變?nèi)剂系幕A(chǔ)。抽真空系統(tǒng)可以將整個(gè)裝置主機(jī)內(nèi)抽成需要的真空環(huán)境,為有效隔絕極高溫與極低溫奠定基礎(chǔ),并為核聚變反應(yīng)提供純凈環(huán)境。
中性束注入系統(tǒng)
利用中性粒子不受磁場(chǎng)控制的原理,將加速后具有巨大動(dòng)能的中性粒子與帶電粒子進(jìn)行碰撞來(lái)傳遞能量,從而加熱聚變?nèi)剂稀?/p>