美国235亿造“太阳”：192束激光造恒星温度

http://it.sohu.com/20111123/n326592757.shtml

                               
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目标靶室由厚达10厘米的铝板制成

　　日前，被誉为“人造太阳”的美国国家点火装置(NIF)完成了首次综合点火实验192束激光系统发射的能量打造出600万华氏度高温，这相当于恒星或大行星核心的温度。NIF作为全球最大的激光核聚变装置，从1997年开始建造起已经花掉了纳税人35.5亿美元(约合人民币235亿元)。研究人员不惜代价不仅为了研究如何“驾驭太阳的能量”，这个计划还承载着人类的清洁能源之梦。
　　在加利福尼亚州利弗莫尔国家实验室，一座神秘的建筑物仍在修建中。过去十多来年，这个庞大的建筑物一直是环保主义者关注的焦点。然而，11月2日，这里进行的一次点火实验震动了科学界。因为作为世界上第一个能产生持续核聚变的反应堆，“人造太阳”一旦成功将改写人类的历史。
　　地球上造“小太阳”
　　现今人类可利用的最大、最具商业价值的能源无疑是核能。核电站利用核能的原理是核裂变，即在高温高压状态，把铀或钚等重原子分裂成轻原子，导致其释放大量能量的核反应方式。但是国家点火装置利用核能的方式则反其道而行之，不是核裂变，而是核聚变。核聚变是指由质量轻的原子，主要是指氘或氚，在高温高压下，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。太阳发光发热就是利用核聚变产生的能量。
　　与核裂变相比，核聚变不仅安全，而且相对环保。利弗莫尔国家点火装置曾对媒体说：“太阳产生的光和热抵达地球，不会产生任何放射性的副产品，而且能长期高效的生产。如果把太阳换成我们正在研究的核聚变反应堆，就等于在地球上建造了一个提供清洁能源的小太阳。”
　　释放1.3兆焦耳能量
　　目前，这个“小太阳”已经初具规模，并且已经进行了令人鼓舞的试验，获得了宝贵的试验数据。利弗莫尔国家点火装置的一个科研组说，11月2日他们向核聚变反应堆中心发射192束激光束，用它们瞄准一个只有花生大小却包含氘和氚气体的小球体。这个小球体释放的能量高达1.3兆焦耳，其核心最高温度大约是600万华氏度。
　　国家点火装置主管爱德华 摩西说，尽管这次试验没有能够达到太阳中心温度2700万华氏度，也没有引发期待中的持续性核聚变反应，但这些试验结果依然非常振奋人心。“试验让我们相信，我们一定能实现氘和氚核聚变目标物里的点火条件。”摩西还称，美国科学家有决心在2012年实现这一目标。

                               
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工人向目标靶室内装填“人造太阳”的核心装置

　　要想实现核聚变燃烧，首先必须点燃由氢的同位素氘和氚构成的特殊燃料。
　　20世纪70年代，科学家开始利用强大的激光束进行试验，压缩和加热氢的同位素，使其达到熔点，这一技术被称作惯性约束核聚变。激光发射器的作用就是促使这种核聚变快速和持续产生，包含氘和氚气体的目标物受到外部的刺激后，将发生爆炸形成冲击波，进一步加快目标物核心的燃烧，这种燃烧的持续性也更长。
　　一旦这种核聚变成现实，国家点火装置内靶室的温度会超过1亿华氏度，内部压力将超过地球大气压的1千亿倍。国家点火装置主管爱德华 摩西说：“为了在实验室里产生核聚变燃烧，我们进行了长达10年的研究。目前利用核聚变或核裂变产生能量的核电站，在过去50多年已经让发电量大幅增加，但迄今仍未证明利用氘和氚气体融合后持续燃烧产生能源的方法可以投入使用。”因此摩西说，“人造太阳”试验的意义不言而喻，“一旦我们掌握了实现太阳内部核聚变的技术，我们的子孙后代将享受到科技发展带来的飞跃，能源短缺的时代将一去不复返。”
　　“人造太阳”技术可行性高、应用前景广阔
　　实际上，除了美国的“人造太阳”计划，中国、俄罗斯等世界大国目前都在研究类似“人造太阳”的核聚变技术。
　　国家点火装置“人造太阳”中的核反应堆目标物是氘和氚，氘可以利用并不复杂的技术，从海水里萃取；氚在金属锂中存在，锂则是土壤里的一种常见元素。所以氘和氚在现实中的开采和利用，相比核裂变要使用到的铀或钚更为简单易行。
　　国家点火装置在其网站上对氘和氚的利用前景作了形象的对比。他们举例称，由于海水中包含氘元素，经过一定的转化，1加仑海水可提供相当于300加仑汽油产生的能量，50加仑海水产生的燃料所含的能量，相当于2吨煤。“它们很环保，大规模应用后，可以减少对化石燃料的使用，从而大大降低碳排放量。”
　　更为重要的是，氘和氚没有铀或钚那样剧烈的放射性，未来使用它们做反应堆生成的放射性副产品，也比当前核裂变核电站少。
　　国家点火装置的官员估计，使用核聚变反应堆的发电站将在2020年开始运行，到2050年将有25%的美国民用能源由核聚变提供。
　　130吨重目标靶室是核心
　　从上世纪90年代后期开始，利弗莫尔国家实验室就开始建造“人造太阳”，至今整个计划已投入约35.5亿美元。11月2日进行的综合点火试验是迄今以来最成功的一次试验。未来，还有更复杂和更具挑战性的试验在国家点火装置里上演。
　　国家点火装置是一栋10层楼高的建筑物，其面积相当于三个足球场。媒体称，这个点火装置是世界上最大的激光科学建设项目，因而成为全球“人造太阳”试验的中心，承载着人类利用新能源的梦想。国家点火装置控制室有一套十分先进的电脑自动控制集成系统，它模仿了休斯敦美国宇航局的任务控制中心，被称为史上科学仪器设计最复杂的自动控制系统之一。
　　国家点火装置内部设有130吨重的目标靶室，这是“人造太阳”计划最核心的部分。靶室里的中心孔洞直径达10米，用30厘米厚的混凝土掩埋，旁边有192个激光器向其中发射中子，以点燃反应堆，并促使包含氘和氚气体的玻璃物目标产生极大的高温和高压。
　　这个靶室的条件将接近或达到太阳内部核聚变反应时的条件。电脑自动控制集成系统保证了试验的稳定性，因为850台电脑使激光器发射激光的间隔不超过50微秒。

不是有无限自由能源吗？为何还要这样啊......

阿凡提的理想 发表于 2011-12-5 18:54

                               
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不是有无限自由能源吗？为何还要这样啊......

利用起来比较麻烦吧。。需要很大面积的太阳能面板啊

1. 旁边有192个激光器向其中发射中子，以点燃反应堆，

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这个是翻译问题还是我理解力有问题？

激光器能发射“中子”吗？

感觉比那4万亿花地还值！

“不是有无限自由能源吗？为何还要这样啊......”人的欲望才是无限的！

浪淘沙 发表于 2011-12-5 20:04

                               
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这个是翻译问题还是我理解力有问题？

激光器能发射“中子”吗？

当然是翻译问题

他还以为要靠中子来启动核反应，那是U-235裂变所需用的。

核聚变只需要密度和温度条件

gohomeman1 发表于 2011-12-6 16:14

                               
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当然是翻译问题

他还以为要靠中子来启动核反应，那是U-235裂变所需用的。

不过，即使是核聚变也会产生大量的自由中子吧？！那么它的安全性会比现在核裂变反应堆更优吗？！

天道无极 发表于 2011-12-6 16:42

                               
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不过，即使是核聚变也会产生大量的自由中子吧？！那么它的安全性会比现在核裂变反应堆更优吗？！ ...

核聚变看原料的。我事实上也不知道现在到底采用哪种原料呢，氘氚？

产生自由中子不是关键问题吧。

gohomeman1 发表于 2011-12-6 17:17

                               
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核聚变看原料的。我事实上也不知道现在到底采用哪种原料呢，氘氚？

产生自由中子不是关键问题吧。

当然问题不大！因为即使是现在的核裂变反应堆也会产生高能的自由中子，而我们也已知道怎么截住这些中子。我想说的是，那么以后如果我们真的有核聚变的反应堆的话，它的安全性和稳定性会比现在的核裂变反应堆来的更好和更安全吗？！

天道无极 发表于 2011-12-6 17:22

                               
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当然问题不大！因为即使是现在的核裂变反应堆也会产生高能的自由中子，而我们也已知道怎么截住这些中子。 ...

现在的理论上是这样的。

因为产生的聚变产物是He，是没有放射性的。这点非常关键。

gohomeman1 发表于 2011-12-6 17:35

                               
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现在的理论上是这样的。

因为产生的聚变产物是He，是没有放射性的。这点非常关键。

虽然没有放射性，但那些高能的自由中子对人体的伤害也不遑多让啊。。。如果这些核聚变反应堆发生泄漏的话，危害也许没有现在核裂变反应堆那么大，但还是会有一定的风险存在。未来我们要怎么说服各国government和人民去接受核聚变的发电方案呢？！

天道无极 发表于 2011-12-6 17:52

                               
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虽然没有放射性，但那些高能的自由中子对人体的伤害也不遑多让啊。。。如果这些核聚变反应堆发生泄漏的话 ...

先等可控核聚变真正能够实现再说吧。然后如何商业化时考虑它不迟。

激光点火最大用途恐怕是军事上的，也就是“清洁核弹”，爆炸后的放射性沾染相对很少甚至没有，完全靠光辐射、冲击波和早期核辐射来杀伤，少了后续的很多麻烦。

智子 发表于 2011-12-6 18:40

                               
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激光点火最大用途恐怕是军事上的，也就是“清洁核弹”，爆炸后的放射性沾染相对很少甚至没有，完全靠光 ...

看来，MS氘和氦-3的反应产生的能量最多！难怪米国对月球上的氦-3资源那么感兴趣~

天道无极 发表于 2011-12-6 19:22

                               
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看来，MS氘和氦-3的反应产生的能量最多！难怪米国对月球上的氦-3资源那么感兴趣~
...

裂变核电站几乎肯定会有放射性污染问题，因为原料本身就具有放射性。但聚变不同，原料本身至少可以是稳定的，或者至少当前设计的原料都是稳定的。而产物是否有放射性，要看具体的反应过程，而当前计划设计的都是没有反射性产物的，所以这一点完全不用担心。

至于中子，也不是问题，就算产物有多余的中子，最多也只是对核电厂工作人员有危害，中子在空气中跑步了多远的，而且自由中子的寿命很短。

另外，聚变堆的另一个突出优点是基本上不用担心爆炸。裂变堆出问题很容易造成冷却坏掉而爆炸，但聚变反应因为对温度和压力的要求极高，一旦出问题反应堆会迅速冷却降温，进而立即停转。

可控核聚变的研究难啊，在我们的有生之年看到它的商业化就很不错的了。

推荐阅读：科学网 雷奕安 的博文 聚变发电还有多远？

不看好美国的国家点火装置，有点美国人闭门造车的感觉，很多技术美国人并不占优了。
我觉得ITER的托卡马克更有前景，最可恶的是美国人曾经中途推出，致使这个项目被推迟启动。

positron 发表于 2011-12-7 13:02

                               
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裂变核电站几乎肯定会有放射性污染问题，因为原料本身就具有放射性。但聚变不同，原料本身至少可以是稳定 ...

近来很少见到你上坛子来了！Anyway，也感谢你提供的好资料！！

虽然自由中子的寿命不高（没记错的话，应该是15分钟左右），但这段时间已经足够那些高能的自由中子走一段很长的距离了吧？！

另外，就你的专业来看，可控核聚变反应堆的实用化目前还存在怎么样的难题呢？！要怎么和多久的将来才能克服这些难题？！

天道无极 发表于 2011-12-7 15:50

                               
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近来很少见到你上坛子来了！Anyway，也感谢你提供的好资料！！

虽然自由中子的寿命不高（没记错的话，应 ...

中子辐射属于电离辐射，而且中子的电离能力很强，一旦接触对人体的危害极大，远大于做X光检查。不过中子的贯穿本领很弱，即使在空气中也跑不了多远，这个不是基于其寿命，而是因为中子很容易被吸收。另外，中子被其他物质吸收，与其他物质的原子核作用，可能会产生二次辐射，可能会产生其他贯穿本领较强的辐射，包括电离辐射和非电离辐射。不过不管怎样，电离辐射的贯穿本领一般较弱，不会跑到远离核反应堆的地方，而非电离辐射对人体的危害小的多。总之，热核聚变即使产生高能中子，其危害基本上只会针对核电站的工作人员，对公众基本上不会产生影响，至少产生影响的可能性比裂变堆小的多的多。

专业人士可不敢当，只对可控核聚变稍有了解而已。至于可控核聚变商业化的前景以及困难，看我链接的博文就行了，那篇文章写的很全面了。

不过，对可控核聚变商业化（以磁约束为例）的难度在这里可以简单总结一下（其实这个从ITER的目标就能看出一二）：
1、如何稳定控制高温等离子体。（ITER目标：产生一个Q值超过5的稳定等离子区/体。）
2、如何使高温等离子体长时间维持。（ITER目标：维持8分钟的聚变脉冲。）
3、如何让通过一次点火后，让聚变等离子体自维持。（ITER目标：可能点燃“燃烧的”（自我维持的）等离子区/体。）
4、如何使输出能量远大于输入能量。（ITER目标：Q值为10）

当然，还有其他方面的难度，如：如何高效地将输入能量传递给聚变物质？如何有效地输出聚变反应产生的能量？……另外，作为一个新型的装置，整个工程如何进行相信也需要很多难题需要解决。

困难我大概能说这么多，至于怎么解决，我只知道两个个办法：死脑细胞、砸钱。

至于时间，也可以根据ITER计划的周期看出一二。ITER计划周期长达30年（2018年开始运行，2038年结束计划），而且还是实验堆，大规模的商业化需要多久可想而知，反正我是没指望在入土前看到。


PS：我国合肥的中科院等离子体物理所，已经建成 先进超导托卡马克实验装置（EAST），装置已经于2006年成功点火放电。不过，EAST的设计指标比ITER差多了。

sonic5188 发表于 2011-12-7 13:17

                               
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不看好美国的国家点火装置，有点美国人闭门造车的感觉，很多技术美国人并不占优了。
我觉得ITER的托卡马克 ...

美国的NIF和当前国际合作的ITER属于两种不同的方案，NIF属于惯性约束，ITER属于磁约束，两种约束方式哪个更优现在还很难说，估计以后会并存。

美国的NIF还是很强大的，激光点火对技术的要求极高的，其他国家就算砸钱估计也做不来。