人类能源需求终极解决方案面世

闫聪撰写2017-03-16 02:15:32

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以下是本期杂志副刊科技栏目文章《无尽能量之源——核聚变》(一),以飨读者。

导语能源是驱动人类社会发展的动力,但迄今为止各种能源都会受总量、时间和地域限制,聚变能源的开发,则可能“一劳永逸”地解决人类能源需要。

不久前由中国物理学家创造的可控核聚变反应时间纪录引发科技界高度关注。据报导,他们在实验室中制造出了比太阳中心温度还要高的氢等离子体,并且稳定燃烧了1分多钟。什么是可控核聚变?很危险么?什么是等离子体?为什么1分钟就引起了轰动?这些名词背后蕴含了什么深远意义?


1952年10月31日进行的世界首次热核爆炸试验(图源:Getty/VCG)

核聚变是什么

根据爱因斯坦的质能方程,当较大的原子分裂成较小的原子时,小原子总质量会小于原来大原子质量,这部分减少的质量会以能量形式释放出来,就是通常所说的核裂变反应。与此一过程相逆,当质量较小的原子合并成质量较大的原子时,也会伴随质量减少和能量的释放,这就是所谓的核聚变反应,简称核聚变(nuclear fusion),又称核融合、融合反应、聚变反应。

与核裂变不同的是,使原子彼此合并,发生核聚变,必须使它们的原子核接近到飞米级(10-15米)。而要达到这个距离,就需要把它们加热到很高的温度(几千万摄氏度以上),从而使原子核具有很大的动能,以克服电荷间极大的斥力。因此,核聚变反应又叫热核反应。

最常见发生核聚变的原子包括氘、氚、氦等。氘和氚是氢的同位素,一个氘核和一个氚核结合成一个氦核,这个核反应可释放17.6MeV(1MeV等于1.60217662×10-13焦耳)的能量。这种氘和氚的聚变被称为“第一代”聚变,其优点是燃料便宜,缺点是反应过程中伴随有中子产生,而中子对于人体和生物都非常危险,传说中的中子弹就是利用了中子的这种杀伤力。另外中子可以跟反应装置的墙壁发生核反应,使得反应装置墙壁用过一段时间之后就因为受损伤而必须更换。“第二代”聚变是氘和氦的反应。这个反应的本身不产生中子,但其中的氘氘有小概率会发生聚变反应产生中子,尽管总量非常非常少。如果第一代电站必须远离闹市区,第二代基本可以直接放在市中心。“第三代”聚变是氦氦的反应,这种聚变完全不会产生中子,所以也被称为终极聚变反应。

虽然核聚变是发生在最小的原子之间的反应,但其单位质量的能量密度几乎是目前已知各种能源方式中最大的。目前人类所有能源的终极来源—太阳(石油、天然气等能源来自于百万年前的太阳能),就是一个时时刻刻在发生著核聚变的星体,即太阳的能量来自它中心的核聚变。同等质量下,核聚变释放的能量比核裂变要大得多。另外,对比于核裂变,核聚变反应前后的原料和生成产物中都没有放射性物质,所以它不会像核裂变一样会造成环境污染或者产生核废料。

最重要一点是,相比较其他各种能源,核聚变的燃料供应充足。核聚变能利用的主要燃料氘,大量存在于海水中。海水中大约每6,500个氢原子中就会有一个氘原子,由此可以计算出海水中氘的总量约45万亿吨。而每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。按世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。另一种核聚变主要燃料氚则可以由锂制造。地球上锂的储量虽比氘少,但也有两千多亿吨,足够人类用来进行氘氚反应。因此,核聚变能可以说是一种取之不尽、用之不竭的新能源,足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上来说,聚变能源的开发,将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。

(闫聪 撰写)

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