PDF《“人造太阳”现曙光》

主编: 魏刚 编辑: 胡珉琦 校对: 王心怡 E-mail押mqhu@stimes.

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2013 年10 月18 日 星期五 Tel押(010)

62580721 12 新知 中东的石油、南非的黄金……能源危机已经 成为困扰人类发展的重要难题之一.据研究, 地球 数十万年积聚下来的石油、 煤炭、 天然气等化石能 源总体上还可供人类使用

100 年左右. 而当前使用 的核能又因其巨大的安全风险, 可持续性并不被人 看好.因此, 核聚变成为了人类畅想获取 取之不 尽, 用之不竭 的能源的最佳途径. 依据激光核聚变原理制造的、 被称为 人造太 阳 的美国国家点火装置 (NIF) 近日传来消息, 在全 世界聚变装置中获里程碑式突破. 可控核聚变条件苛刻 上个世纪

40 年代, 德国核物理学家奥多 ・ 哈恩 和莉泽 ・ 迈特纳发现了核裂变,但无论是利用该反 应制造的核武器或是核电站, 都因燃料本身以及反 应产物产生的巨大辐射, 令科学家不得不一直异常 谨慎地对待它. 与之相反, 太阳释放出的巨大能量, 由两个氢 原子核合为一个氦原子核的聚变反应而产生. 相较 于裂变, 每个核子释放的能量, 也就是每千克聚变 燃料释放的能量更多, 而且地球上聚变燃料的储量 更丰富, 更重要的是, 燃料以及聚变产生的辐射要 远远小于裂变. 只是, 所有原子核都带正电, 它们之间越接 近, 静电斥力也就越强, 完成聚变最重要的条件 就是克服这种力量.太阳因其高达

2000 万摄氏 度的中心温度, 以及在自身强大重力的吸引下形 成的超高的压力状态, 才使得核聚变得以发生并 持续. 要在地球上完成这一过程, 因为引力太小, 压力不够, 核聚变需要在更高的温度下 (这样的 温度下物质处于等离子体状态) 才能进行.这也 是可控核聚变如此艰难的原因. 显然, 为满足可控核聚变苛刻的条件, 首先 要输入大量的能量. 当核聚变反应释放的能量大 于输入的能量, 这一临界条件称之为点火, 才有 能源应用的价值.实际上, 由于创造聚变条件消 耗的电能,一般要

3 倍于它的热能才能生产出 来, 所以要使能量增益因子等于

3 时, 才能真正 地实现得失相当. 中国科技大学物理学院教授王晓方告诉 《中 国科学报》 记者, 如同日常生活中点燃柴火一样, 点火后不再需要外界供热助燃, 柴火燃烧释放的 热能足以燃烧新的柴火, 并使这样的燃烧释热能 够持续, 这才是真正实现了点火.柴火相当于核 聚变中的等离子体状态物质.

1957 年,英国科学家劳逊提出了达到点火 的一般性条件, 也称为得失相当条件, 即劳逊判 据. 对于氘氚聚变, 为了较容易实现, 要求等离子 体的温度达到

1 亿摄氏度. 美国点火计划在麻烦中前行 在地球上,核聚变最先是在氢弹中大量产生 的. 在氢弹中, 引爆用的原子弹所产生的高温高压, 使氢弹中的聚变燃料挤压在一起,由于物质的惯 性, 在飞散之前产生大量聚变 (也叫惯性约束核聚 变) . 只不过, 氢弹爆炸威力巨大, 人类无法控制它. 上个世纪

60 年代, 利用该原理, 前苏联科学 家提出并证明了激光可以使氘氚发生聚变. 直到

2009 年,耗资

35 亿美元的美国国家点火装置 (简称 NIF)终于让科学家看到了激光核聚变实 现的可能性, 人类寄希望于能从该实验室中获得 取之不尽, 用之不竭 的清洁核能. 这个世界上最大的激光聚变机器坐落在加 利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一个 特大号 仓库 里.在装置内部, 激光器会产生

192 条激光束, 射向一个含氘氚的氢球形靶丸上 使其崩溃, 并产生一亿摄氏度左右的高温, 从而 触发氢原子聚变, 释放大量能量.激光和氢靶丸 的碰撞过程极其短暂, 仅持续数几个纳秒 (1 纳 秒等于

10 亿分之

1 秒) . 为了达至临界点或者说 点燃反应堆, 激光器的设计能量为 1.8 兆焦耳. 早在去年, 据 《自然》 杂志报道, 被称为 人造 太阳 的美国国家点火装置 (NIF) 所发射出的激 光已经达到了

2 兆焦, 也是激光向核聚变能源迈 出的第一步. 近日, 据BBC 新闻网

10 月7日报道, 在9月末进行的一次聚变实验中, 聚变反应释放出的 能量超过了氢燃料球吸收的能量―― ―在全世界 聚变装置中取得了里程碑突破.不过, 记者尚未 在劳伦斯利弗莫尔国家实验室官方网站上看到 该消息. 事实上, NIF 项目并非一帆风顺, NIF 研究 团队点火目标的推进曾一推再推.据 《科学美国 人》 报道, 去年美国国家科学院专家小组的一份 中期报告显示, NIF 激光触发核聚变的方法并不 被十分看好. 王晓方告诉 《中国科学报》 记者, 激光器的发 射重复率还很低,无法持续聚变产能. 这是因 为, 目前激光器所使用的玻璃放大介质无法满足 既在单位时间内能发射更多次数, 又保证激光束 的质量. 目前, NIF 的激光器每天只能发射几次.只有 当每秒钟发生三四次甚至更多的核聚变且连续不 断地进行下去,并且每次聚变的能量增益达到 10~100 倍, 才能实现实用化. 为了提高激光发射的重复 率,科学家也在研发新型激光 器, 比如半导体激光泵浦, 还有 光纤激光器等. 但王晓方表示, 这些激光器尚不能做成足够的 规模, 激光输出的能量还不足以 来实现聚变点火. 目前, 还没有 找到提高激光发射重复率从而 持续聚变产能的好办法. 据了解,近日, NIF 研究团 队已经将激光对准了真正的燃 料球, 实验更进一步, 但点火靶 球却在极端的温度和压力下屡 次过早破裂.不难看出, 美国国 家点火装置的麻烦始终与新进 展同在. 核聚变研究期待新突破 事实上, 除惯性约束核聚变以外, 最先被科 学家发现,也是至今最被看好的核聚变是磁约 束.为实现磁力约束, 需要一个能产生足够强的 环形磁场的装置, 上世纪

50 年代, 这种装置就被 称作 托克马克 装置. 王晓方告诉 《中国科学报》 记者, 从工作原理来说磁约束更适合持续提供聚 变能. 倡 议于

1985 年 的国 际热核聚变实验 堆(ITER) 计划, 是目前全球最大的磁约束核聚变 实验项目, 由美国、 欧盟、 俄罗斯、 日本、 韩国、 印 度和中国共同参与.ITER 装置是一个能产生大 规模核聚变反应的 超导托克马克 . 作为聚变能 实验堆, ITER 计划把上亿摄氏度、 由氘氚组成的 高温等离子体约束在体积达

837 立方米的磁场 中, 产生

50 万千瓦的聚变功率, 持续时间达

500 秒.不过, 目前为止, 该项目还一直在追加预算, 在工程技术上也依然存在问题, 进展迟缓. 王晓方表示, ITER 还只是一个实验计划, 即使ITER 获得成功,还要建造新的聚变反应堆, 才可能进入能源实用化阶段. 而磁约束之所以比惯性约束更被看好, 还有 一个原因是, NIF 的设计初衷是用于测试核武器 可靠性, 是美国 无爆炸核试验 不可或缺的部 分.此外, 也能被用来模拟超新星、 黑洞边界、 恒 星和巨大行星内核的环境, 进行科学试验. 惯性约束一直被认为是由涉及国家安全和 武器研发的政府和联合企业所资助的, 它们研究 核聚变是为了武器开发, 而不是用于民用电厂. 但美国核武器独立专家理查德 ・ 加温曾在接 受媒体采访时表示, NIF 装置中的温度远远低于 真正的核武器所产生的温度, 他并不支持惯性约 束的研发与核武器测试直接相关. 清华大学核能与新能源技术研究院一位不 愿透露姓名的专家在接受 《中国科学报》 记者采 访时表示, 根据当前的材料和工程技术, 核聚变 远不能达到稳定输出能量的水平.他认为, 核聚 变实用化的关键还是来自材料领域的革命性突 破. 如果说航母舰队是流动的盾牌,那么能击 沉航母的导弹就是利剑. 对于军事弱国而言, 打 造强大的航母舰队掣肘于技术与财力,而着力 研发可摧毁航母舰队的导弹,有时能发挥四两 拨千斤的效果, 从而缩减巨大作战差距. 我国最新研发的鹰击 -12 重型反舰导弹 (又名 YJ-12) , 就是一把这样的利剑. 在很多军 事分析家眼里,鹰击 -12 是威力仅次于东风 -21D 弹道导弹的反舰利器. 鹰击 -12 射程约为

400 公里,作为一种先 进的超音速反舰导弹,传说其末段速度可达

4 马赫 (也即 双四 模式, 特指

400 公里射程和

4 马赫的速度) . 美国 战略之页 网站甚至刊文指 出, 高速度的鹰击 -12 可能令西方现役任何近 距拦截系统均形同虚设. 鹰击 -12 弹长约

7 米,尺寸略小于俄制 3M55 和3M80 导弹, 因此发射重量可能也要少 一点. 不过, 超音速反舰导弹抛弃助推器时的质 量与末段质量之比较大,所以它的发射重量可 能仍然相对较大, 业内专家估计约在 2~2.5 吨 左右. 军事专家称, 鹰击 -12 是GPS+ 北斗 联 合卫星制导 + 末端宽频主动雷达系统, 具有极 高的命中精度.这种导弹发射后先爬升到一定 高度的高空,通过数据链接收来自己方预警雷 达的第一次目标参数确认,制导系统将参数发 送给飞行控制系统后,导弹开始下降飞行高度 进入低空巡航状态. 在低空巡航阶段, 导弹在静 默的卫星导航和惯性导航的引导下静默飞行, 速度为 1.5 马赫, 高度 12~15 米.当飞行至距 离攻击目标

50 公里时, 主动制导雷达开机并与 卫星制导确认目标最新参数,再与数据链信息 相比对, 确认后导弹进入末端攻击状态. 有媒体报道指出, 在已公布的鹰击 -12 的 图片上没有看到助推火箭,表示它应是整体式 冲压发动机 (助推火箭与冲压发动机融为一 体) .我国在上世纪

90 年代成功研制整体式冲 压发动机, 包括液体、 固体和固液等多种.业内 人士根据鹰击 -12 的用途分析认为, 其采用液 体冲压发动机的可能性更大.这是因为液体燃 料的理论空气量大、 能量高, 另外推力可调节, 多适用于飞行包络 (高度和速度) 较宽和射程较 远的用途. 最早亮相的鹰击 -12 装载机是 飞豹 歼 击轰炸机. 飞豹 载弹能力强、 航程远、 其充足 的机体空间和较大的外挂能力非常适合改装为 重型导弹载机.分析指出, 作战半径达

1650 公 里的 飞豹 加上鹰击 -12 导弹

400 公里的射 程, 将对中国东、 南沿海潜在的敌人造成巨大威 慑,甚至有能力威胁第二岛链内外的敌方海上 目标. 我 海空 军已装 备的 苏-30MKK、 歼-

16、 轰-6G/K 等机型也是鹰击 -12 的理想载机, 三 者作战半径比 飞豹 更大, 能在更 大范 围 内执行反航母和反舰作战任务. 英国 《简氏防务周刊》 认为, 鹰击 -12 反舰 导弹不仅可从飞机上发射,........