随着全球最大的激光核聚变装置在美国正式落成,人工“复制”太阳的梦想也即将迎来科学上的转折点
《财经》记者 王以超 于达维
在地球上“复制”太阳,并非天方夜谭。
5月29日,全世界最大的激光核聚变装置——国家点火装置(NIF),在美国旧金山郊区的劳伦斯·利弗摩尔国家实验室(LLNL)正式落成,人类朝向这个目标,又接近了一步。
该项目副主管爱德华·莫塞斯(Edward I. Moses)告诉《财经》记者,希望该装置于2010年正式运行后,可以很快实现“点火”,即实现核聚变产生的能量大于激光输入的能量。
这一目标如果得以顺利实现,无论是在地球上“复制”太阳,还是提供能源“终极解决方案”,都将不再遥远。
聚变之梦
人类的文明史,归根到底是一部能源利用史。工业革命至今200多年的时间内,人类对于能源的利用更是达到了登峰造极的程度:从传统的石油、天然气等化石能源,到太阳能、风能等可再生能源,一直到利用裂变发电的核能。
但迄今为止,人们仍无法找到能源“终极”解决方案。最可能的解决方案,或许来自太阳——既然地球仅仅接纳了太阳很少一部分能量的恩泽,就足以孕育众生,那么,假如我们能在地球上人工“复制”一个太阳,一切不都迎刃而解了吗?
这个看似有些疯狂的想法,在科学上却并不那么荒谬。在20世纪早期,科学家们就已经发现,像太阳这样的恒星,之所以能够辐射出如此巨大的光和热,是因为其内部无时无刻不在进行着剧烈的核聚变反应。在这个过程中,氘、氚等较轻的原子,会聚合成碳甚至铁等较重的原子,并且释放出巨大的能量;而每升海水中提取的氘,在聚变反应中释放出的能量,大概相当于300升汽油。
可是,在地球上“复制”太阳,实现起来却十分漫长。因为要“启动”核聚变过程,就必须制造出与太阳内部类似的极端环境。中国科学院上海光学精密机械研究所(下称上海光机所)高功率激光物理国家实验室总工程师、中国科学院院士林尊琪告诉《财经》记者,在温度达到5000万摄氏度到1亿摄氏度之间的同时,还要保持很高的密度,这些都很难达到。
之前,人类只有通过原子弹爆炸,才达到这样的极端条件,这也是氢弹的原理。遗憾的是,这样一个过程是不可控的。
鉴于地球上现存的任何材料都难以抵御这种极度高温,科学家设想出两种巧妙的途径,来逼近这一目标。
一种被称为磁约束。上世纪70年代,前苏联科学家提出了“托卡马克”的概念,就是利用环形封闭磁场组成的“磁笼”,把燃料加热到极高的温度并约束起来,使其不会碰到任何容器壁。目前,中国正在安徽合肥运行的EAST装置,以及即将于2016年投入运行的国际热核聚变装置(ITER),都是利用的这一原理。
另一种则是像NIF这样的惯性约束核聚变。其原理是利用超强的激光或者其他粒子束,直接照射在用氘氚等做成的燃料靶丸上,靶丸的外层会在瞬间融化并且向外喷溅。由此产生的反作用,就会急剧地向内压缩靶丸的剩余部分,使其中心达到聚变所需的极端条件,实现“点火”。
NIF奇迹
在1994年正式获准上马之后,科学界就对NIF望穿秋水,因为它很可能成为第一个实现“点火”的可控核聚变装置。
根据设计,NIF装置的192束强激光,产生的总能量将高达1.8兆焦耳(1兆相当于1000000)。这一能量,比任何现役的激光聚变装置都要高出几十倍。
这192束激光,会从两个相对的方向进入直径约10米的靶室中。不过,这些激光并不直接照在由氘、氚等核聚变燃料组成的靶丸上,它们是先照在金子做的圆筒状空腔的内部。只有硬币大小的空腔,在强激光的照射下会产生大量高能X射线;X射线会像流体一样向中心流动,从而使得靶丸沐浴在强“X射线雨”中。
林尊琪对《财经》记者解释说,此时靶的中心燃料密度会被压缩到原来的1万倍左右。在冲击波的作用下,这一点就会发生核聚变反应;然后,外面的大部分核材料也会发生连锁聚变反应,从而释放大于激光输入的能量。
之所以选择这种方式来实现点火,是因为空腔内部产生的X射线会更加均匀。如果各个方向压缩靶丸的能量在大小、时间上不一致的话,就无法达到理想的向心压缩效果进而实现点火。
虽然NIF的总投资,已从最初的10亿美元升至目前的35亿美元,但能顺利建成,仍然被很多人视为一种奇迹。不少业内人士对《财经》记者坦言,其中很多装置,都已经达到了物理以及材料极限。
在NIF中,仅高精度大口径光学元件就有7000多件,还有之前从未生产出的高质量KDP晶体、特殊的等离子体开关,以及6万多个控制元件等。很多激光器器件,都已经接近了强光运行的极限;再强一些,很可能玻璃就要被打破了。
按照计划,NIF将从2010年开始正式运行。中国科学技术大学近代物理系教授郑坚在接受《财经》记者采访时表示,根据现有的理论模型预测,这样强的激光能量,应该有很大的把握实现成功“点火”。
不过,他也提醒说,任何设计都不可能没有风险。科学家曾经一度非常乐观,认为激光能量达到千焦耳量级,就可以成功“点火”;到了今天,实现“点火”的边界已经被抬高到了百万焦耳的水平。
群雄并起
当然,实现“点火”,只是NIF任务之一,它还有其他的使命。
1992年,时任美国总统的布什正式签署法案,宣布禁止核试验。之后,如何确保其庞大核武库的安全以及有效性,并不断加以改进,成了一个非常棘手的问题。
因此NIF可以产生类似氢弹爆炸的极端环境,这显然为检验核武器提供了难得的平台。此外,如果可控热核聚变得以实现,将来的氢弹不必再需要原子弹引爆,研制没有放射性污染的、更为清洁的核武器也就成为可能。这一装置同样可以模拟类似恒星内部的环境,科学家们也可以利用NIF,开展相应的基础科学研究。
更为重要的是,由于激光核聚变的研究,涉及强激光的研发以及新材料、技术的应用等众多领域。因此,除了美国,不少其他大国也纷纷加入战团。
与NIF性能最为接近的,是法国正在建造的兆焦耳激光装置LMJ。预计于2010年完工的该装置,共有240束强激光,总输入能量同样可达1.8兆焦耳。
此外,日本的大阪大学早在1983年,就建成了12束激光的GEKKO XII装置。在今年3月完成LFEX升级之后,该装置短脉冲激光的瞬间功率创造了新的世界记录,已经在探索“快点火”(fast ignition)机制方面走在了前沿。
所谓快点火,就是用一束强激光先轰击靶丸,等其表面开始喷射时,再利用另外一束功率巨大的超短脉冲来“点火”;其原理,有些类似于普通的汽油发动机。
据悉,欧盟打算于2010年开建的HiPER激光聚变装置,也将利用这一原理来实现“点火”;预计其总投资,可能要比NIF整整低一个量级。
早在1976年,在上海光机所,中国首个激光核聚变装置——六路激光就正式建成并投入使用。进入上世纪80年代后,该所又成功地建成了“神光1号”装置。虽然1986年投入运行的“神光1号”只有两路激光,总能量却提高了一个量级。在位于四川绵阳的中国工程物理研究院,“星光”激光聚变装置也投入使用。
2001年,拥有八束激光的“神光2号”建成投入使用,这个激光总能量约为3千焦耳的装置,正式接替了1994年退役的“神光1号”。此后,“神光2号”又增加了能量约为3千焦耳的第九路短脉冲激光,以探索“快点火”机制。
不过,更令人关注的,仍然是正在建设之中的“神光3号”。“神光3号”设计为60束强激光,总输出能量达60千焦耳;虽然还无法与美国的NIF、法国的LMJ相比,但这仍然是个不小的飞跃。据《财经》记者了解,整个装置有望于2012年最终建成并投入使用。
漫长的终点
“神光3号”显然也不是终点。中国科学院院士、国家“863计划”惯性约束聚变首席科学家贺贤土就曾透露,中国也将启动自己的NIF装置,即“神光4号”。
据悉,中国政府在《国家中长期科学和技术发展规划》中确定的16项重大专项中,就有惯性约束聚变点火工程。如果一切顺利,中国亦有望在2020年前后,实现点火这一科学目标。
业内人士告诉《财经》记者,在NIF上,科学家有望获得5倍到10倍的增益。即聚变产生的能量,将5倍到10倍于输入的激光能量。然而,即使实现这一目标,距离最终的核聚变发电仍然十分遥远。
要产生如此强大的激光,往往电力消耗十分惊人;通常,从电力转换成激光能,效率往往不足10%。而核聚变产生的能量,大部分都是以高能中子的形式存在的;包围材料要先将中子能转变为热能,再用来发电,其中又难免能量损失。因此,在中国科学院院士林尊琪看来,这种增益要达到几百倍,才可能用来规模化发电。
此外,要以百万千瓦的规模连续地输出电能,就需要在1秒钟内实现打靶10次以上。而目前,铷玻璃激光器两发之间的时间间隔,往往要以小时计,这显然难以满足未来产业化的要求。
很显然,即使NIF上的科学验证取得成功,要真正把聚变能变成一种可以依赖的“终极能源解决方案”,也要有一段漫长的路程要走,包括新的半导体技术、材料技术的突破等。
不过,也有专家提醒说,对于核聚变商业化的前景,亦不必过分悲观。
中国科学技术大学近代物理系教授郑坚对《财经》记者表示,除了激光,目前科学家还在对多种驱动源进行研究。比如德国GSI装置,就是采用重离子束来探索聚变可能性的;与强激光相比,虽然其成熟度略低一些,但驱动效率更高。
更重要的是,一旦惯性约束核聚变在科学上获得验证,鉴于其巨大的商业前景,企业和私营部门也会加入投资者“阵营”。这很可能会带来新技术应用的雪崩,并使得潜在的成本门槛被迅速拉低。
以美国为例,在NIF之后,就制定了雄心勃勃的LIFE(激光惯性约束聚变能)计划,希望把聚变能真正从实验室推向能源第一线。根据劳伦斯·利弗摩尔国家实验室的预测,到2030年前后,第一座商业化的聚变电站就可能成为现实。
无论是未来纯聚变的电站,还是能够更好地利用核燃料的聚变-裂变混合电站,都将引发一场能源革命。因为与传统核电站相比,聚变电站不仅在运行过程中不会产生放射性污染,并拥有几乎无限的原料供应,同时其单位发电量产生的废弃物,也只有前者的二十分之一左右。
最乐观的估计,到2100年前后,美国可能会有三分之二的电力供应都来自LIFE。当然,这中间还存在巨大的不确定性。但无论如何,对于中国而言,能否同步跟上这场潜在的革命,都是一个不能回避的挑战。毕竟,虽然起步并不比美国晚多少,但中国需要补的“功课”还很多。■