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激光與核聚變-

激光與核聚變-

    真正意義上的核聚變研究已經走過了數十年歷史,期間科學家提出了多種方法來控制核聚變。但其實關于核聚變的討論可以追溯到更早以前。早在19世紀60年代,核聚變就已經成為科學家經常爭論的話題。但當時人類對核聚變,甚至對物質本質的了解都少之又少。再過了大約70年,到了20世紀30年代,科學家知道所有物質都由原子構成,這些原子都擁有一個由帶正電的質子和中性的中子組成的原子核(氫是唯一一個特例,它的原子核只有一個質子,沒有中子)。這些知識為日后核聚變的研究奠定了很好基礎。 

  1938年,物理學家漢斯·貝特意識到,太陽中心的壓強必定非常巨大,足以克服通常情況下會讓帶有同種電荷的離子相互分離的排斥力,而把一個個氫原子核擠壓在一起,并發生反應,釋放巨大能量。貝特寫出了氫離子聚變的4步鏈式反應。反應最終產物的質量略低于反應前各成分質量的總和,“消失”的質量轉換成能量(根據愛因斯坦的E=mc2公式)提供給太陽。 

  雖然從理論上講,一加侖(3.8升)重水(氧化氘)能夠產生的核聚變能量與一艘超級油輪載滿的石油相當,而且反應后的剩余物質僅是少量氦氣,但事實卻遠非如此簡單。20世紀50年代初,美國普林斯頓大學教授萊曼·斯皮策設計了“仿星器”,提出了聚變反應堆的第一種設計方案。根據斯皮策當時的估計,他的仿星器可以產生15萬千瓦電力,足夠15萬戶家庭使用。他的設計基于一個事實:在聚變所需的高溫下,所有電子將從自己的原子中剝離出來,形成帶電粒子“湯”,后被稱為等離子體,可以用磁場約束。斯皮策的仿星器本質上就是一個可以約束等離子體的磁瓶,哪怕等離子體被加熱到了幾百萬攝氏度的高溫。可惜,當時斯皮策以及和他一起研究的科學家未能完全了解等離子體,而且等離子體十分不好掌控。 

  在同一年代,即1950年,蘇聯科學家安德烈·薩哈羅夫設計了托卡馬克用來約束等離子體。到了1969年,西方科學家前往莫斯科研究薩哈羅夫設計的托卡馬克。他們發現它產生的等離子體比仿星器溫度更高、密度更大。從此托卡馬克開始成為約束核聚變研究的主流。控制核聚變產生的高能量等離子,并讓其為己所用便成為了人類研究核聚變的最早方法。在此后的60年里,科學家努力用越來越強大的磁瓶去馴服等離子體。每次物理學家提出一個改進裝置去前出現的問題,都會在更高的能量狀態下遇到各式各樣的新問題。美國阿貢國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室核聚變項目前主管、美國ITER技術咨詢委員會現任主席查爾斯·貝克說:“無論你對它們做什么,等離子體總是會有一點不穩定。” 

  難以馴服的等離子體讓科學家們不斷受挫,但同時也讓他們萌生了另辟蹊徑的想法。20世紀70年代能源危機發生時,通往核聚變的另一條平行的研究計劃也誕生了,科學家希望這條新的途徑能夠避免磁約束等離子體中遇到的一些問題。這些技術用許多束激光去壓縮和加熱一個由氘和氚構成的靶丸。這項研究在美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室展開,一開始使用的只是一個能夠發出兩束激光的簡單試驗臺。激光功率的提升使試驗設備不斷升級,1977年啟用“濕婆”激光器,1984年又啟用了“新星”激光器。每次新激光器的使用都打破了利弗莫爾實驗室自己保持的、激光核聚變最強大爆炸的世界紀錄,但是跟磁約束一樣,它們仍然沒能達到“收支”平衡,即聚變釋放能量等于激光輸入能量。要想做到這一點,利弗莫爾實驗室需要一種新激光器,激光功率要在過去的基礎上再提高70倍。到了1997年,新激光器開始建造,這就是美國國家點火裝置(NIF)。NIF于2009年5月建成完工,轟動一時。今年晚些時候,NIF將開始氘-氚聚變實驗,這將是人類探索核聚變的又一個重要里程碑。 

  雖然ITER的聚變原理要早于NIF,但似乎項目進展卻落在了NIF之后。據《自然》雜志報道,預計在2019年ITER核聚變裝置將完成建設,比預期的要晚1年,比NIF晚了整整10年。而第一次ITER氘-氚聚變試驗則計劃在2026年進行,比NIF要晚15年左右。

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