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美国国家点火装置 美国国家点火装置进展

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除了造氢弹 核聚变还能干啥 朝鲜《劳动新闻》报5月12日报道,朝鲜科学家通过自主研发成功获得了核聚变技术,“此次成功实现核聚变,使朝鲜取得了新能源开发的突破口”。核聚变技术一定意味着制造氢弹吗?人类和平利用核聚变能量的前景如何?  氢弹只是核聚变的一种应用  核聚变,又称核融合,是指由质量较轻的原子,如氢的同位素氘和氚(质子数和氢相同但中子数不同,分别与“刀”和“川”同音),在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用。其基本原理是,根据爱因斯坦著名的质能方程E=mc2(E表示能量,m代表质量,而c则表示光速)。原子核中蕴藏巨大能量,当核反应发生时,原子核质量会减小,这种质量损失转化成的能量将十分可观。  核反应共有两种,如果是由重的原子核变化为轻的原子核,称为核裂变,如原子弹爆炸;如果是由较轻的原子核变化为较重的原子核,称为核聚变,如太阳持续发光发热的能量来源。核聚变的能量释放远超核裂变,这也是氢弹威力能达到原子弹威力成千上万倍的原因。  氢弹的原料是重氢(质量达普通氢的两倍)和超重氢(质量达普通氢的3倍)。在超过1亿摄氏度的高温和高压(目前主要为原子弹引爆)状态下,就发生核聚变,同时产生巨大的能量。有人担心,朝鲜成功掌握核聚变技术后,离制造氢弹只有咫尺之遥。然而事实并非如此。  美国《外交政策》杂志今年1~2月刊发的一篇文章,援引美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室前主任杨格的话说,很多自称“核弹专家”的人宣称制造核弹(原子弹装的核燃料主要为铀235或钚239,分别称为铀弹和钚弹)的话并不可信。杨格说,铀弹“超级难制造”,钚则是“有史以来发现的最复杂的金属之一,基本性质十分敏感”,需要用特别技术进行处理。再加上核武器对原材料组成及反应条件要求极为苛刻,有些数据是经验性的,要用多次昂贵的实验进行反复验证。首尔大学原子核工学系教授洪相熹说:“朝鲜只不过是制造了‘热核聚变反应装置’,并进行了一次试验。”氢弹的威力达原子弹的数十乃至数百倍,考虑到这一点,朝鲜国内并没有合适的试验场所。  朝鲜虽然在2006年宣布首次核试验成功,但其基于核裂变的核弹制造技术尚不成熟,而核聚变前期反应需要用原子弹创造出高温高压条件,氢弹制造中又会碰到更多更复杂的难题,到目前为止朝鲜热核反应堆还未见踪影,这也是朝鲜媒体在报道中没有提及氢弹的原因。  可控核聚变能制造“小太阳”  无论是在中国还是西方的神话故事里,都有盗取天火、造福人类的传说。太阳,这个高悬九天之上源源不断喷薄光热的星球,是能为人类带来光明和美好生活的象征。而现代物理学研究表明,地球上一切的能量,都来自太阳表面氢核的聚变。氢弹爆炸产生的巨大能量给人留下了深刻的印象,1公斤聚变燃料所产生的能量相当于1000万升石油的能量。那么,有没有办法将这种猛烈爆发的能量控制住呢?答应就是可控核聚变,人们形象地将其称为在地球上制造“小太阳”。如果建成一座核聚变发电站,每年只需从海水中提取304公斤的氘,就可以产生1000兆瓦的电量。照此计算,地球上仅在海水中就含有的45万亿吨氘,足够人类使用上百亿年,比太阳的寿命还要长。  与人工光合作用的间接利用光能相比,可控核聚变显得更为直接,但两者有一个共同点——难!人工光合作用试图模拟自然状态下的光合作用过程,利用太阳光将二氧化碳转化为氧气和富含能量的有机物。可控核聚变则试图在地面上模拟太阳中的核反应过程,不论是光合作用还是太阳中的热核反应,都是经历了数十亿年的“修炼”才形成的,反应机制极其精密复杂,人类想在数十年里完成这一过程,确非易事。  可控核聚变的难度首先体现在反应条件的苛刻上。举个例子,当两个带正电的球相互接近时,它们会互相排斥,只有使用更大的力才能使两者互相接近。可控核聚变也是这样,由于发生反应的氚、氘原子核都带正电,当两个原子核越接近时,其静电斥力越大。为了使两个核发生聚变反应,必须使两个原子核有足够能量,以克服它们之间的静电斥力。而只有当两个原子核相互接近达1.7费米以内(一费米为万亿分之一毫米)时,核力(原子核之间的吸引力)才能起作用。这时核力大于静电斥力,使两个原子聚合到一起,并放出巨大的能量。  由于核反应的尺度极小,目前还没有在费米尺度下对单个原子核进行操作的技术,只有通过外界条件包括热、声、电磁,让大量不同种类的原子核实现聚变。目前主要的可控制核聚变方式有:超声波核聚变、激光约束(惯性约束)核聚变、磁约束核聚变。这类方法的关键是在短时间内积聚大量能量,研究人员的目标也是制造世界上功率最大的能量装置。例如,美国能源部下属的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室核聚变试验装置——“国家点火装置”(NIF)由192个激光束组成,能在短时间内产生亿度高温。韩国《朝鲜日报》说,目前世界上还没有一个国家利用核聚变技术建成发电站。欧盟、韩国、美国、中国、日本、俄罗斯等国共同投资51亿欧元(约合430亿元人民币),目前正在法国修建国际热核聚变实验堆(ITER),据说要想实现商业化还要40年。考虑到朝鲜的经济和技术力量等因素,利用核聚变技术发电“根本不可能”。  核聚变提供丰富的清洁能源  也许一些人觉得奇怪,在核能发电早已商业化的今天,为何要花如此大的精力去寻找另外一种核能利用呢?这里需要对核裂变与聚变作一个比较。如今的核能发电利用的是核裂变形式的核反应,会产生大量放射性很强的核废料如铀、钚,这些核废料的处理是一大难题,往往需要埋入海底、地底才能保证安全,而且地球上储存的主要核燃料铀也比较有限,这种能量产生方式并不理想。  美国《今日物理》杂志去年7月号曾刊文称,美国有100个核反应堆,提供的电能占美国全部电量的20%。如果要提高所占的比例,处理核废料的压力就会随之增加。2009年5月,由于预算需要,奥巴马政府计划放弃争论日久的丝兰山核废料填埋项目,同时宣布将组成专门小组讨论民用核废料处理方式,由此可见核废料处理带来的压力之大。  而作为一种在宇宙中广泛存在的能量转化方式,核聚变拥有很多优势。首先是清洁。核聚变对环境几乎没有放射性危害,聚变反应的产生物氦是没有放射性的惰性气体,即反应本身不产生任何放射性废料。实验堆所使用材料等技术废料,由于所选用材料的低活性,其放射性也会在很短的时间内消失。其次是来源丰富。核聚变所需要的氘和氚在水中普遍存在,1升水中含有33毫克氘;氚虽然在自然界中几乎不存在,但它却可以在聚变过程中通过锂的转化产生,而地球上锂的储量非常丰富。
美国用了30多年才实现人类主要能源核聚变而我国一上手就率先行动

人类在能源方面的技术进步已经进入了瓶颈。今天,人类最伟大的梦想是掌握核聚变,可以实现无限的清洁能源。世界各大国都在为实现中国的目标而努力。美国几十年来花了很多钱,投入了无数资金。但成绩却很不理想,比不上我国新一代“人造太阳”回旋二号核聚变。我国可控制的装置,核聚变在一定时间内实现了点火和发电,成为世界领先的聚变反应堆技术。美国花了三十多年尝试发展核聚变没有成功,而中国却在短时间内实现了,并且从一开始就处于领先地位。中国为何能取得这样的成就?

美国国家点火装置 美国国家点火装置进展(图1)

目前,世界上只有美国、欧洲和中国三个公司开展受控核聚变业务。美国最早进行公开研究,也是第一个成功实现受控核聚变的国家和地区,但时间很短,只有0.5秒左右。关于。我国起步最晚,但发展最快、技术含量最高,据说超过了100秒,这意味着中国现在在可控核聚变方面已经处于世界领先地位。其他国家或地区虽然有意向和研究,但目前根本没有排名。欧洲过去的基本情况很好,但近十年来,欧洲的情况恶化了,我国的情况也很糟糕。然而愚鸟先飞,后来者先到。

美国国家点火装置 美国国家点火装置进展(图2)

受控核聚变被认为是人类未来唯一的能源来源,因为核燃料的氘储量巨大(地球储量为42万亿吨)。如果化学能源燃料耗尽,还可以继续支撑人类文明数十亿年。我国最先进的托克马克装置首次突破了100秒的运行时间,这是人类迈向能源革命的最大进步。我国实验性超导托卡马克实验装置实现加热功率超过1亿兆瓦,等离子体储能300千焦耳,等离子体中心电子温度首次达到1亿度,向超导托卡马克实验装置迈出了一步未来聚变反应堆的实验运行。重要的一步。

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我国是世界上最大的原油进口国,因此对于能源安全至关重要。受控核聚变是人类所有能源问题的最终解决方案,也是我国的一大重点。目前,世界上许多国家都与朋友一起研究核聚变反应堆。现阶段最热门的研究方向恐怕就是托克马克装置,其中还包括德国的7-X仿星器、美国的点火装置以及我国最先进的超导托卡马克实验装置。

美国国家点火装置 美国国家点火装置进展(图4)

我国托克马克装置实现了101.2秒的稳定高约束运行,创下世界纪录。还实现了加热功率超过1亿兆瓦,等离子体储能300千焦耳,等离子体中心电子温度首次达到1。数十亿度,聚变反应堆实验运行的关键一步。如果中国真的攻克了可控核聚变装置,那么我国的电力就可以以煤炭的价格出售了。所有与电力相关的商品成本都将大幅降低,同时也将带来技术的巨大进步,进一步释放和激发人类的劳动力和聪明才智。

可控核聚变是世界物理学的难题。这还在探索和研究中。这种核可逆反应尚未找到有效的系统实验和应用。只有理论论证。一旦实现受控核聚变,将是物理学上的突破。科学上的又一个里程碑将对人类生存和发展的能源安全,特别是核能的安全利用产生重大影响。到那时,人类将无需担心能源缺乏,真正为人类社会的永久存在提供能源保障。对于中国来说,如果掌握了这项技术,也将为人类文明的进步、生存和发展提供永久的动力。它应该像其他科技发明、发明创造一样属于全人类,但荣耀属于中国。 (文/山峰)

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