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        科技創(chuàng)新推動“能源革命”

        2023-01-10 06:37:56
        華東科技 2022年12期
        關(guān)鍵詞:原子核核聚變核能

        弱肉強食的生存環(huán)境之下,能源爭奪不可避免,利用科技制造再生能源成為緩解能源斗爭的新方法。

        回望過去的5萬年,從使用鋒利的石塊采割果實、捕獲獵物,到利用火發(fā)明陶具、青銅器等替代工具,學(xué)會利用浮力、杠桿等機械原理,再到運用現(xiàn)代知識和工具解決各類問題,人類在逐步認識并利用自然,解決人類自身力量不足的問題。

        這其中,最具革命性的是人類學(xué)會對能源的使用。從鉆木取火到使用煤炭、石油等化石能源,再到太陽能、風(fēng)能、潮汐能以及核裂變能的和平利用,人類獲得能源的能力得到數(shù)量級的釋放和增強,把人從“苦力”中解放出來,進而大大推進了人類文明的進程。

        可由于可利用能源的稀缺,千百年來對能源的搶奪貫穿整個人類進化史。

        能源寡而不均

        人類對能源的追求從古至今不曾停止。在農(nóng)耕社會對土地和土地上生物質(zhì)能的搶奪,在工業(yè)社會演變?yōu)閷茉吹臓帄Z。

        而化石能源的有限性和不可再生性,使得僅20世紀就發(fā)生過三次石油戰(zhàn)爭。到了當(dāng)代,以美國為代表的國家對能源的態(tài)度更是耐人尋味。

        2017年6月,美國總統(tǒng)特朗普在美國能源部發(fā)表演講,宣稱要讓美國在全球能源市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。隨后,其內(nèi)政部長瑞安·津克進一步闡述:“什么是能源統(tǒng)治?就是在環(huán)境、經(jīng)濟和道義層面統(tǒng)治能源世界”。

        石油作為工業(yè)血液,誰掌握了石油,就握住了發(fā)展的命脈,就控制了世界。為此,世界范圍內(nèi)石油之爭屢見不鮮,近來的伊朗危機、敘利亞危機、委內(nèi)瑞拉危機等國際熱點話題,都與之相關(guān)。當(dāng)前,世界能源競爭已如此激烈,未來必將更加尖銳,搶奪能源的戰(zhàn)爭選項時刻停留在桌面上。

        而要解決這個戰(zhàn)略矛盾,運用科技的力量提供可靠、安全、廉價的永續(xù)能源是核心關(guān)鍵所在。

        核能填補空缺

        從科學(xué)角度上看,人類利用能源過程是一個能源選擇和加工中不斷的加氫減碳的過程。

        在此過程中,零碳燃料成為科學(xué)家們研究解決碳排放引發(fā)的全球氣候變暖的重點和熱點,核能技術(shù)的突破為此提供了根本的解決方案。

        從核能總體利用分類看,核能包括裂變能和聚變能。核裂變是指由重的原子核(主要是指鈾核或钚核)分裂成兩個或多個質(zhì)量較小的原子的一種核反應(yīng)形式。原子彈或現(xiàn)有的核能發(fā)電廠的能量來源就是核裂變。裂變能核電技術(shù)已越來越成熟,它沒有導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨等危害環(huán)境的釋放物,但資源有限,還會產(chǎn)生難以處理的高放射性核廢料。

        核聚變則是把氫的同位素(氘和氚)混合加熱到數(shù)億度高溫,使其原子核能夠聚合,釋放出巨大能量。不可控核聚變就是氫彈。受控核聚變是等離子態(tài)的原子核在高溫下有控制地發(fā)生原子核聚變反應(yīng),同時釋放出能量。太陽發(fā)光發(fā)熱的能量就來自核聚變反應(yīng)。地球上的氫彈爆炸是人工核聚變,核聚變發(fā)電也是,就是媒體上所說的“人造太陽”。

        在理解上,核聚變反應(yīng)堆的原理并不難,但在具體實施中卻困難重重。最關(guān)鍵的一點是,周圍溫度必須達到上億攝氏度,使氚和氘的原子核以極大的速度發(fā)生碰撞,產(chǎn)生了新的氦核和新的中子,釋放出巨大的能量。經(jīng)過一段時間反應(yīng)后,反應(yīng)體不再需要外來能源的加熱,核聚變的溫度足夠使得原子核繼續(xù)發(fā)生聚變。這個過程只要氦原子核和中子被及時排除,新的氚和氘的混合氣被輸入到反應(yīng)體,核聚變就能持續(xù)下去,產(chǎn)生的能量一小部分留在反應(yīng)體內(nèi),維持鏈式反應(yīng),大部分輸出作為能源使用。

        與此同時,受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)要作為能源使用,必須在產(chǎn)生并加熱等離子體到億萬攝氏度高溫的同時,還要有效約束這一高溫等離子體。

        因此,有效約束高溫反應(yīng)體是受控核聚變的技術(shù)關(guān)鍵。受控?zé)岷司圩冇写偶s束和激光約束兩種方式,磁約束是當(dāng)前研究應(yīng)用的熱點。

        眾所周知,核聚變的原材料是地球上的鋰(儲量2000億噸,可產(chǎn)生氚)和海水中的氘(儲量40萬億噸),氘的含量取之不盡,目前已有中英科學(xué)家宣布在可控核聚變領(lǐng)域取得突破,研究出一種可有效獲取高純度氘的材料。同時,核聚變反應(yīng)產(chǎn)物氦氣是惰性氣體,無污染,不產(chǎn)生高放射性核廢料,安全性更有保障。

        在核能的助力下,能源空缺的局面將有所改善,但核能轉(zhuǎn)換的過程中仍有重重技術(shù)難題等待攻克。

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