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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1000萬噸烈性炸藥，是廣島爆炸那顆原子彈的700倍。
氫彈爆炸產(chǎn)生的毀滅性能量來自于熱核聚變——即太陽產(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
對(duì)于解決人類的能源問題而言，2005年6月28日是值得紀(jì)念的一個(gè)日子。這一天，歷經(jīng)兩年討論的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆合作計(jì)劃(ITER)的選址問題終于有了答案 來自歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和中國的代表在莫斯科達(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南部的卡達(dá)拉什。
這可以說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%，法國出資10%，而其余的50%資金由其他5個(gè)國家分擔(dān)。
從上世紀(jì)50年代初美國和前蘇聯(lián)開始分別秘密研究可控核聚變技術(shù)以來，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)核聚變研究的國際合作計(jì)劃——ITER的概念出爐。幾經(jīng)波折，歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和中國成了最后的ITER成員國。
“ITER”，拉丁語的意思是“道路”，寓意為尋求人類能源之路。
2003年12月20日，ITER各參與國最初在華盛頓舉行會(huì)議，討論核聚變反應(yīng)堆的選址問題。歐盟、中國和俄羅斯主張把反應(yīng)堆建在法國的卡達(dá)拉什，而美國、韓國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題達(dá)成一致，歐盟將把日本排除在外，與其他國家共同在法國建設(shè)這一項(xiàng)目。此后，原本支持日本的美國和韓國也開始松動(dòng)。而美國的中立態(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、無污染、高效。
氫彈爆炸的目睹者說，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)境帶來負(fù)面影響。一個(gè)100萬千瓦的聚變電站運(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150萬噸的燃煤，同時(shí)產(chǎn)生400～500萬噸的二氧化碳。
但更重要的是，聚變反應(yīng)所需要的原料幾乎可以說是無窮無盡的�？茖W(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)目必須依賴于國際合作的原因是：其技術(shù)過于尖端，任何一個(gè)國家獨(dú)立完成都難于登天�！敝袊谠擁�(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，實(shí)現(xiàn)熱核聚變發(fā)電面臨的所有問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1億攝氏度。但熱核聚變反應(yīng)堆顯然不能用這種方法來達(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)，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，法國人做出了2000萬攝氏度、維持6分鐘的高溫，中國做到了1000多萬攝氏度、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�！�
其次是材料問題�！熬圩兎磻�(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。
接受本刊記者采訪的國內(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)行研究的有中國科學(xué)院等離子體物理研究所和西南物理研究院。但中國目前不打算做實(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。
“在接下來的20年里，ITER將提供必要的科學(xué)和技術(shù)知識(shí)，來促使一個(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。”帕米拉向本刊記者介紹說。
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。 (來源：中國新聞周刊；感謝中國科學(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)
