中国人造太阳中国环流器二号M装置(HL-2M)在四川成都建成,并顺利展开首次发电试验。人造太阳是人类研究和尝试掌握核聚变能源(聚变能)的装置,聚变能比传统核能更为强大,却没有核能的坏处,有望一举解决人类今后多年能源需求。那么聚变能与核能有何分别?聚变能又有否引发类似氢弹爆炸的风险?
聚变能是什么?
聚变能(fusionpower)是采用核聚变原理,提供能量的能源,运作与太阳以及其他恒星类似,因此聚变能装置俗称人造太阳。
聚变能严格上也是核子能源的一种,但语文用法一般都把两者分拆以资识别,传统核能仍称核能。
聚变能与核能有何分别?
核能背后原理是核裂变(nuclearfission),也就是将较大的原子打散成较小的原子,以获取过程中释出的能量。
聚变能所用的核聚变(nuclearfusion)则相反,把较小的原子结合成较大的原子。
无论是核聚变,还是核裂变,输出的原子质量都比输入的小,失去了的部分则化为了能量。
聚变能为何胜过核能?
强力:核聚变是太阳发光发热的原理,可想而知有多强大。聚变能在同等质量原料下,释放能量是核能的4倍(更是化石燃料的万倍,同时不会释放温室气体)。
干净:核能会产生无法继续提供足够能量,但会持续释放有害辐射成千上万年的核废料。聚变能主要副产品是氦(helium),这是一种无毒的惰性气体;另一种副产品氚(tritium)即使有辐射亦很弱,而且维持时间短。
安全:聚变能不涉及连锁反应,无法像日本福岛、苏联切尔诺贝尔或美国三里岛一样发生核事故灾难。聚变能一旦失去稳定,也只会因为失去所需的极高温而停止运作。
氢弹不就是核聚变武器吗?
没错,但聚变能发电与氢弹原理却不尽相同,不会如氢弹般核爆炸。
氢弹虽是将氢原子结合为氦原子的核聚变武器,但氢弹内部必须备配原子弹作为起爆装置。原子弹是核裂变武器,以连锁反应来提供足够能量触发核聚变反应,引爆氢弹。
聚变能所用燃料以及输出副产品,都不涉及可以用作核武器的物质,没有核能和核武的安全问题,也无核扩散之忧。
聚变能这么好用,为何不早用?
人类至今尚未找到,能长期维持核聚变过程处于受控稳定状态的办法。核聚变技术应用仍停留于不可控的氢弹爆炸,颇是尴尬。
目前人造太阳技术所能维持的稳定核聚变时间,都以秒来计算。中国环流器二号M装置能维持10秒,在国际上已算很长。
人造太阳怎样维持核聚变稳定?
人造太阳技术现时有2大主流。
托卡马克(Tokamak):又称磁局限融合(magneticconfinementfusion)、磁环机,利用磁场来约束等离子体(又称电浆,即太阳上物质的状态),使之形成一个环形,并维持当中极高温度,保持核聚变作用。中国环流器二号M就是托卡马克式装置。
惯性局限融合(inertialconfinementfusion):以镭射照射等离子球,使之外层爆裂,并形成对内反作用力,维持高温高压的核聚变作用环境。美国「国家点火设施」(NIF,NationalIgnitionFacility)就是使用惯性局限融合技术的装置。
人造太阳技术有多难?
中国环流器二号M装置项目负责人刘永指出,要实现可控核聚变反应,必须满足3个苛刻条件。
一是温度要足够高,使燃料变成超过摄氏1亿度的等离子体。相比下,太阳内部温度「只有」1,万至2,万度。
二是密度要足够高,这样等离子体内物质原子核互相碰撞、释放能量的概率才足够大。
三是等离子体在有限的空间里,受约束的时间要足够长。一旦没法约束等离子体,它就会散开迅速降温,无法维持核聚变作用。
哪些国家在搞人造太阳?
国际热核聚变实验堆(ITER,InternationalThermonuclearExperimentalReactor)计划是目前全球规模最大的人造太阳计划,参与国家合共35个,基本上就是全部在研究人造太阳技术的国家。
ITER计划正式成员包括中国、美国、俄罗斯、日本、南韩、印度,以及欧盟27国,另外澳洲、哈萨克以非成员身份参加。
ITER计划正在法国南部马赛以北小镇Saint-Paul-lès-Durance,兴建全球最大的托卡马克装置,预料年开始实验。中国环流器二号M装置现在建成,有利为ITER计划提供技术支撑。