人类距离核聚变还有多远?

使用和随意制造火(一种用途广泛的热、光和能量源)的能力或许是让人类能够主导动植物界并最终支配整个地球的关键。有一种储量丰富、容易获取的资源(植物物质)可以产生能量,通过利用和控制这种迅速释放的能量形式,我们能够做到其他生物以前从未做到的事情。

随着时间的推移,我们发明了效率更高、可以不断升级的技术。

如今,我们不是燃烧木头以获取能量,而是找到了新的燃料,在更小的质量和数量中蕴含了更多的能量:煤、石油和天然气。但 这些仍然都是化学能源,通过改变原子和分子中的电子排列结构来释放能量。虽然它们无疑能够释放很多能量(改变一个电子的排列就能释放几十电子伏特的能 量),但存在三个问题:

1. 资源有限:地球上的化石燃料储量有限。

2. 环境代价:即使是在最理想的情况下,燃烧这些燃料都会释放有害的化学物质,污染空气和水。

3. 最后,化石燃料的能效并不比燃烧植物物质的原始做法高出太多。

在二十世纪,我们发现了利用原子核内部能量的奥秘,使我们可以通过核裂变的方式来“分裂”那些最重的元素。

虽然失控的链式反应会导致灾难性的核爆炸,但受控的链式反应可以提供稳定释放的能量,并且能效要高得多。化石燃料的每个原子或分子可以释放几十电子伏特的能量,而核裂变反应可以让每个原子核释放出数百万电子伏特的能量。然而,核裂变也存在问题:

1. 资源仍然有限,而且极为罕见。包含裂变铀或钍的物质很难获得,数量稀少。

3. 最后,导致环境灾难(例如核泄露)的风险可能带来切尔诺贝利核事故那样的后果。

2. 废料和反应物都有辐射性,必须采取严格的预防措施以免污染空气、水或周围的动植物。

然而,有另外一种利用核能的方法可以避开上述三个问题,那就是核聚变。

这与太阳上正在进行的过程相同:通过把丰富的轻元素结合成更重的元素(比如氢变成氦),我们可以释放出比核裂变更多的能 量,平均达到核裂变的3到10倍。另外,资源极为常见,因为那些轻元素是地球上最常见的东西,在我们的大气和宇宙中到处都是。辐射无从谈起,也没有环境风 险。总之,核聚变是清洁绿色能源的终极形式,可以满足全人类几亿年的能源需求。

唯一的问题在于,我们还不知道如何达到核聚变的能量平衡点(消耗与产生的能量相等),同时又不会引发氢弹失控爆炸。但现在,有三种不同的方法正在研究中。

1.惯性约束聚变。我们利用氢丸(这种聚变反应的燃料)周围的很多激光来压 缩它,压缩导致氢原子核融合成更重的元素(比如氦)并释放出巨大的能量。我们尚未达到最重要的平衡点,激光消耗的能量大大超过了我们目前依靠核聚变反应得 到的能量。但最近,我们已经创造出一种功率达2千兆瓦特的激光,如果应用得当,这种激光可能会使核聚变产生的能量超过消耗的能量。请保持关注。

2.磁约束聚变。为什么不让电磁力代替机械压缩 来做约束的工作?磁场约束聚变材料的高温等离子体,核聚变反应在这种类似于托卡马克(Tokamak)装置的反应堆里进行。这个概念在上世纪50年代开始 用于融合元素,从那时起,磁约束和惯性约束技术交替前进,日益靠近平衡点,使聚变产生的能量超过消耗的能量。虽然那个平衡点还没有达到,但一家小型核聚变 公司最近取得的一个新进展值得关注:他们已经发明了一种低成本的方法来增加等离子体的密度、温度和约束时间,使磁约束聚变具有了诱人的可行性。

这方面的可能进展绝对值得留意。最后还有一个方法。

3.磁化目标聚变。磁化目标聚变利用磁力来产生 和约束高温等离子体,周围的活塞会压缩内部的燃料,在内部形成核聚变。这种聪明的混合方法由迈克尔·拉伯奇(Michel Laberge)发明,除了上述两种主流方法以外,只有极少数的其他方法成功地将氢原子融合成氦,磁化目标聚变就是其中之一。不幸的是,它没有超越惯性约 束聚变和磁约束聚变成为最接近平衡点的方法,而且该方法在大约五年时间里都没有取得进展。

反对者老说核聚变总是距离人类还有几十年(将来也总是如此),但实际上,我们在过去二十年里已经前所未有地接近平衡点,解决了很多技术难题。核聚变如果大规模实现的话,将为人类开启一个新的时代,一个能源节约成为历史的时代,因为我们渴望的那种燃料将取之不尽用之不竭。

译 于波 校 陈岳林   来源:福布斯中文网

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