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鐳射核聚變接近臨界點:世界能源結構將改寫

來源: 環球科學  2012-8-28
美國國家點火裝置(National Ignition Facility,NIF)的管理人員認為,為了達至臨界點或者說“點燃反應堆”, 他們進行了兩年的工作,現在可以說是勝利在望。
  或許在今年,美國國家點火裝置(National Ignition Facility,NIF)將變得名副其實。這個耗資35億美元的裝置坐落在美國加利福尼亞州的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室內,能產生世界上最大的雷射光束,用來爆聚(implode,從內部引爆)一個氫同位素標靶,觸發核聚變,產生的能量將比輸入的多得多。NIF的管理人員認為,為了達至臨界點或者說“點燃反應堆”, 他們進行了兩年的工作,現在可以說是勝利在望。專案主管艾德•摩西(Ed Moses)表示:“我們完全有能力在2012財政年度內取得成功。”
  然而,這種方式仍然屬於慣性約束核聚變(inertial confinement fusion),就算整個專案取得成功,也面臨著不確定的未來。實驗成功是否就意味著,美國能源部會把它開發成一種經濟可行的能源呢?如果是的話,那麼 NIF鐳射觸發核聚變的方法是否是最佳方案呢?3月7日,美國國家科學院專家小組提交的一份中期報告總結道,現在下結論還言之過早。報告還建議核聚變科學家繼續尋找引燃核燃料的替代性技術。  美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的等離子物理學家格倫•烏爾登(Glen Wurden)同意報告的觀點,並認為研究慣性約束核聚變的科學家不應該把寶全壓在鐳射觸發法上。他認為:“可控核聚變技術完全不成熟。”他指出,另一種核聚變方式——磁約束核聚變(magnetic confinement fusion)以及這種方式的標誌性專案、耗資210億美元的國際熱核聚變實驗堆(ITER)也遇到了很多困難,以至於研究停滯不前。ITER進展遲緩,研究費用不斷膨脹,都歸咎於一項不成熟的技術,即托卡馬克裝置(tokamak,受控熱核反應裝置),這是一個麵包圈狀的籠子,裏面的強力電磁鐵禁閉著一個核聚變等離子體。
  儘管科學家最初信心百倍,電腦模型模擬也非常有利,NIF專案同樣沒能按預期進度前行。烏爾登表示:“科學家以為‘點燃’反應堆猶如探囊取物。”然而,NIF對氫同位素進行加溫加壓的過程麻煩不斷。在一個叫做間接傳動(indirect drive)的過程中,多束雷射光束會從橡皮擦大小的“輻射空腔”(hohlraum,一個金質圓筒)的兩個開口射入,使其內部產生X射線。之後,由X射線來加熱並擠壓輻射空腔內的核燃料(氫同位素標靶),觸發核聚變。然而,在輻射空腔內部,鐳射與等離子體之間發生了意料之外的渦流交互作用,吸收了來自雷射光束的能量。這會抵消很多能量,使NIF的鐳射能量輸出達不到點燃反應堆所必須的極限閾值。
  不管怎樣,NIF的研究團隊已經進入了穩定的實驗階段。18個月前,當科學家開始向點火目標推進時,該設施僅完成了預想中點火必要條件的1%。現在,完成度已經到達10%,而且進程正在加快:僅今年1月就有創紀錄的57次轟擊。研究團隊同時也在探索一系列調整方案,包括用鈹或金剛石替代塑膠來包裹核燃料,以及改變輻射空腔的材質或形狀。摩西表示,他們還可能把NIF的極限能量從1.8兆焦(只有達到這個能量級別,才能做到“收支平衡”)提升到2.2兆焦。
  但如同美國國家科學院的報告所指出的,其他方法可能會提供一個更簡單的途徑來點燃反應堆,最終成為一個有實用價值的電廠。那麼誰在為這些研發付錢呢?美國及世界範圍內大多數慣性約束反應堆的研究,都是由涉及國家安全和武器研發的聯合企業所資助的,它們研究核聚變是為了武器開發,而不是用於民用電廠。現在,鐳射慣性約束核聚變研究受美國能源部下屬的國家核安全局(NNSA)監管,NNSA的主要職責是負責管理核儲備。
  而在能源部的科學辦公室,幾乎沒有資金劃撥給慣性約束核聚變的研究。大多數資金都用在支持磁約束核聚變上,而且越來越多的資金給了ITER專案。馬里蘭州蓋瑟斯堡的美國聚變能協會(Fusion Power Associates)是一個核能宣導團體,負責人斯蒂芬•迪恩(Stephen Dean)認為,就算專家小組的最終報告認為,慣性約束核聚變能源專案可行,這項研究還是很難在科學辦公室找到一席之地。迪恩表示:“我想,能源部會直接無視它,明顯他們只對ITER情有獨鐘,而且正瘋狂地想要拯救這個專案。”
  如果NIF的科學家能在2013拿到他們所需的4.6億美元經費,他們就能探索其他方案。比如,美國羅切斯特大學的等離子物理學家團隊打算調整NIF的鐳射,這樣他們就能不使用輻射空腔,而直接爆聚一個氫同位素標靶。
  但 NIF的科學家並沒有坐等替代方法的出現。早在點火裝置之前,他們就積極準備著下一個專案,一個叫做鐳射慣性聚變能(Laser Inertial Fusion Energy,LIFE)的示範電站。民用電廠要經濟實用,生產的能量必須比每次轟擊標靶所輸入的能量多50倍以上,而且必須提高重複使用效率,從一天數次轟擊變為每秒15次,但這絕非易事。
  事實上,這個多孔狀的NIF設施就是LIFE的反應室的放大模型,而LIFE的反應室是模組化的,這種模組小到足以裝進卡車。NIF的設計使用的是上千只巨大的頻閃燈管來為玻璃雷射器充能,LIFE則將使用小巧的、電晶體充能發光體。摩西反駁了鐳射作為未來的核聚變電廠的驅動力還言之尚早的說法。他認為,通過對用於民用電子產品上的鐳射和電晶體的投資,市場和公眾已經做出了選擇。如果回顧一下過去,那麼 “人們會發現,電晶體和鐳射是具有劃時代意義的發明”。
  LIFE的專案主管麥克•杜恩(Mike Dunne)認為,他們的電廠單個造價大概40億美元,可在本世紀20年代初為電網提供數億瓦特的電能,要比科學家預計的、第一座磁約束核聚變電廠的出現時間至少早10年。回憶起幾年前在一個學術會議上,向磁約束核聚變的研究者介紹LIFE專案的理念時,摩斯說道:“他們反應相當激烈地說,‘這不可能’。他們當時就被這個專案的雄心壯志所震撼,如今他們仍會感到震撼。”

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