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中國(guó)新聞周刊:未來(lái)能源之路——人造小太陽(yáng)

2005年07月29日 15:53

  (聲明:刊用《中國(guó)新聞周刊》稿件務(wù)經(jīng)書面授權(quán))

  全人類最終走向主要依賴于聚變能源是一個(gè)必然,但我們還要為此等待半個(gè)世紀(jì)

  ★本刊記者/方玄昌馮亦斐

  1952年11月1日,由美國(guó)制造的、人類第一顆氫彈“麥克”在南太平洋的恩尼威托克島上爆炸。氫彈爆炸的威力震驚了全世界——整個(gè)島嶼連同幾百米高的鋼架都在巨大的爆炸聲中灰飛煙滅,蘑菇云沖破了地球大氣的對(duì)流層和平流層。這次爆炸能量超過(guò)1000萬(wàn)噸烈性炸藥,是廣島爆炸那顆原子彈的700倍。

  氫彈爆炸產(chǎn)生的毀滅性能量來(lái)自于熱核聚變——即太陽(yáng)產(chǎn)生能量的方式,它和原子彈爆炸產(chǎn)生能量的核裂變方式剛好相反。半個(gè)多世紀(jì)過(guò)去了,全球再一次將目光投向這種能量產(chǎn)生的方式——但這一次,人們期待的是把這種可怕的爆炸轉(zhuǎn)化為可以控制的能量,以徹底解決全人類的能源問(wèn)題。

  從第一顆原子彈爆炸到第一座核裂變電站的建立,科學(xué)家花了大約10年的時(shí)間(1954年,前蘇聯(lián)建成世界第一座試驗(yàn)核電站,1957年,美國(guó)建成世界第一座商用壓水堆核電站);而從第一顆氫彈爆炸到第一座核聚變電站的產(chǎn)生,人類則可能要等待一個(gè)世紀(jì)。

  試驗(yàn)基地落址法國(guó)

  對(duì)于解決人類的能源問(wèn)題而言,2005年6月28日是值得紀(jì)念的一個(gè)日子。這一天,歷經(jīng)兩年討論的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆合作計(jì)劃(ITER)的選址問(wèn)題終于有了答案 來(lái)自歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)和中國(guó)的代表在莫斯科達(dá)成協(xié)議,這個(gè)預(yù)計(jì)將耗資130億美元的實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆,最終決定建造在法國(guó)南部的卡達(dá)拉什。

  這可以說(shuō)是人類在核聚變反應(yīng)堆研究道路上邁出的關(guān)鍵一步。根據(jù)初步討論,歐盟計(jì)劃出資40%,法國(guó)出資10%,而其余的50%資金由其他5個(gè)國(guó)家分擔(dān)。

  從上世紀(jì)50年代初美國(guó)和前蘇聯(lián)開始分別秘密研究可控核聚變技術(shù)以來(lái),全世界共建造了上百個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置,但都與最初的目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。1985年,美國(guó)總統(tǒng)里根和前蘇聯(lián)總統(tǒng)戈?duì)柊蛦谭蛟谝淮问啄X會(huì)議上倡議,開展一個(gè)核聚變研究的國(guó)際合作計(jì)劃——ITER的概念出爐。幾經(jīng)波折,歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)和中國(guó)成了最后的ITER成員國(guó)。

  “ITER”,拉丁語(yǔ)的意思是“道路”,寓意為尋求人類能源之路。

  2003年12月20日,ITER各參與國(guó)最初在華盛頓舉行會(huì)議,討論核聚變反應(yīng)堆的選址問(wèn)題。歐盟、中國(guó)和俄羅斯主張把反應(yīng)堆建在法國(guó)的卡達(dá)拉什,而美國(guó)、韓國(guó)和日本則主張建在日本本州島北部的六所村。歐洲研究人員認(rèn)為,若反應(yīng)堆建在日本六所村,地震風(fēng)險(xiǎn)太大。日本人則認(rèn)為,法國(guó)的卡達(dá)拉什遠(yuǎn)離海岸,很難安全地運(yùn)輸大型設(shè)施。法國(guó)和日本的各不相讓一度使談判陷入僵局。

  進(jìn)入2005年,歐盟的態(tài)度開始變得強(qiáng)硬:他們明確表示,如果不能與日本就選址問(wèn)題達(dá)成一致,歐盟將把日本排除在外,與其他國(guó)家共同在法國(guó)建設(shè)這一項(xiàng)目。此后,原本支持日本的美國(guó)和韓國(guó)也開始松動(dòng)。而美國(guó)的中立態(tài)度最終使日本退出了競(jìng)爭(zhēng)。

  安全、徹底地解決能源問(wèn)題

  與傳統(tǒng)能源及核裂變電站相比,聚變反應(yīng)堆有幾大優(yōu)點(diǎn):安全、無(wú)污染、高效。

  氫彈爆炸的目睹者說(shuō),爆炸的蘑菇云是“撒旦的煙火、世界毀滅前夕的血色輝煌”。原子彈在氫彈面前是小兒科,但核裂變電站發(fā)生的事故已經(jīng)給人類造成不小的威脅。核聚變反應(yīng)堆是否會(huì)成為人類最大一個(gè)噩夢(mèng)?

  剛好相反,聚變反應(yīng)堆其實(shí)很安全。

  核裂變反應(yīng)堆之所以危險(xiǎn),是因?yàn)樗幱谝环N臨界狀態(tài),這種臨界狀態(tài)一旦被打破,投入的鈾燃料超過(guò)了臨界值,就有可能發(fā)生爆炸。其次,核裂變的原料具有輻射性,泄漏出來(lái)也會(huì)對(duì)周圍人群的健康構(gòu)成威脅。

  而聚變反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)(離爆炸的臨界線很遠(yuǎn)),很安全。它就像是一個(gè)煤氣灶,加入系統(tǒng)的燃料被緩慢燒盡。在任何時(shí)候,反應(yīng)室里的燃料都非常少(大概1000立方米只有1克),如果燃料供應(yīng)被阻斷,反應(yīng)只會(huì)持續(xù)幾秒鐘。任何設(shè)備的故障都將導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻以及反應(yīng)的停止。

  此外,聚變反應(yīng)的基本燃料氘和鋰,以及反應(yīng)的產(chǎn)物氦,都不是放射性的 媒介燃料氚具有放射性,但衰變非?欤a(chǎn)生一種能量非常低的電子。在空氣里,這種電子只能傳播幾毫米,甚至無(wú)法穿透一張紙。并且,氚是在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生的,不會(huì)有運(yùn)輸放射性物質(zhì)時(shí)可能發(fā)生的任何問(wèn)題。

  對(duì)聚變電站安全性研究得出的結(jié)論是,一個(gè)聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)能保證,反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生任何事故,都無(wú)須當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行撤離。

  聚變電站幾乎不給環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響。一個(gè)100萬(wàn)千瓦的聚變電站運(yùn)行一整年將需要大約100克的氘和三噸的自然鋰,能產(chǎn)生大約70億度電,同時(shí)并沒有溫室氣體或其他污染排放物。而要發(fā)出同樣的電,一個(gè)火電廠需要大約150萬(wàn)噸的燃煤,同時(shí)產(chǎn)生400~500萬(wàn)噸的二氧化碳。

  但更重要的是,聚變反應(yīng)所需要的原料幾乎可以說(shuō)是無(wú)窮無(wú)盡的。科學(xué)家目前已經(jīng)可以從海水里面很容易地提取氘和氚,一升海水提取的氘參與聚變釋放的能量相當(dāng)于300公升汽油燃燒釋放的能量。

  兩大難題有待解決

  “這一項(xiàng)目必須依賴于國(guó)際合作的原因是:其技術(shù)過(guò)于尖端,任何一個(gè)國(guó)家獨(dú)立完成都難于登天。”中國(guó)在該項(xiàng)目的一位不愿透露姓名的學(xué)術(shù)帶頭人告訴本刊記者。

  現(xiàn)在看來(lái),實(shí)現(xiàn)熱核聚變發(fā)電面臨的所有問(wèn)題中最困難的有兩個(gè):第一是維持長(zhǎng)時(shí)間的超高溫很困難;第二是現(xiàn)在還找不到能夠長(zhǎng)時(shí)間承受極端高溫輻射的材料。

  發(fā)生熱核聚變,其必要條件是達(dá)到1億攝氏度左右的高溫。氫彈爆炸必須依賴于原子彈將它“點(diǎn)燃”——原子彈爆炸的中心溫度超過(guò)1億攝氏度。但熱核聚變反應(yīng)堆顯然不能用這種方法來(lái)達(dá)到高溫。

  現(xiàn)在,科學(xué)家普遍研究的是一種叫做“托卡馬克”的裝置,它在物理學(xué)上又稱做“磁線圈圓環(huán)室”,是一個(gè)由封閉磁場(chǎng)組成的“容器”,依靠超導(dǎo)電流產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)產(chǎn)生高溫。

  在世界上幾個(gè)托卡馬克中,3~4億攝氏度的高溫都已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)(歐盟、日本和美國(guó)),都比反應(yīng)堆所需要的溫度高。但麻煩的是,這樣的高溫持續(xù)時(shí)間都很短。而可控?zé)岷司圩冃枰志梅(wěn)定的高溫。在獲得持久穩(wěn)定高溫方面,法國(guó)人做出了2000萬(wàn)攝氏度、維持6分鐘的高溫,中國(guó)做到了1000多萬(wàn)攝氏度、持續(xù)4分鐘。

  歐洲聚變發(fā)展聯(lián)合組織(EFDA)的負(fù)責(zé)人杰羅姆·帕米拉(Jerome Pamela)博士告訴本刊記者:“要得到更持久穩(wěn)定的高溫,目前看來(lái)惟一的方案就是增加設(shè)施的大小,因?yàn)榇判馁|(zhì)量隨著尺寸的增加而增加。”

  其次是材料問(wèn)題。“聚變反應(yīng)中心的周圍布有一米厚的‘地毯’,它覆蓋反應(yīng)堆的內(nèi)壁,其作用是吸收中子,把聚變反應(yīng)釋放的輻射轉(zhuǎn)化為熱能,然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能。我們準(zhǔn)備在ITER計(jì)劃中測(cè)試組成‘地毯’的材料!迸撩桌┦空f(shuō)。

  接受本刊記者采訪的國(guó)內(nèi)專家表示,研制出這種成熟的抗高溫、抗輻射材料,可能還需要一二十年時(shí)間。

  還需等待半個(gè)世紀(jì)

  中國(guó)在參與ITER的同時(shí),自己也在獨(dú)立發(fā)展這項(xiàng)技術(shù),獨(dú)立進(jìn)行研究的有中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所和西南物理研究院。但中國(guó)目前不打算做實(shí)驗(yàn)電站,而計(jì)劃在二三十年以后直接做示范電站。

  ITER在卡達(dá)拉舍進(jìn)行的研究并不是要建立一個(gè)可以投入發(fā)電的反應(yīng)堆,它僅僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)。它的目的主要是解決目前面臨的所有困難,其工作全部完成可能需要30年。

  “在接下來(lái)的20年里,ITER將提供必要的科學(xué)和技術(shù)知識(shí),來(lái)促使一個(gè)示范核電站的建立,以證明聚變發(fā)電的能力。這將是商用聚變電站出現(xiàn)前的最后一步,我們期望這一步發(fā)生在21世紀(jì)中期!迸撩桌虮究浾呓榻B說(shuō)。

  有預(yù)測(cè)認(rèn)為,地球上目前剩下的化石能源還能使用50年,這50年恰好是科學(xué)家研究核聚變能源民用化所需的時(shí)間。而目前已經(jīng)成熟了的核裂變發(fā)電技術(shù),其主要原料鈾在地球上的全部?jī)?chǔ)量也僅夠維持?jǐn)?shù)百年之用。

  “因此,全人類最終走向主要依賴于聚變能源是一個(gè)必然。如果聚變反應(yīng)堆技術(shù)不能在傳統(tǒng)能源耗竭之前得到應(yīng)用,人類將面臨著因?yàn)槟茉纯萁叨鴾缤龅奈kU(xiǎn)。”中國(guó)科學(xué)院一位主持核聚變反應(yīng)堆項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人說(shuō)。 (來(lái)源:中國(guó)新聞周刊;感謝中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所所長(zhǎng)李建剛研究員給本文提供幫助)

 
編輯:賈靖峰】
 

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