核聚

　　目前的核電站，都是采用核裂變發(fā)電。核聚變研究已經(jīng)歷了數(shù)十年，科學(xué)家提出了多種方法來控制核聚變。盡管氘很廉價并儲量豐富，氚卻非常稀少，必須從核反應(yīng)中提取。一座常規(guī)核電站一年能生產(chǎn)2－3千克氚，每千克成本估計在8000萬到12億美元之間。不幸的是，磁約束核聚變電站每周都要消耗大約1千克氚。聚變對氚的需求量遠遠超過了裂變的生產(chǎn)能力。
　　
　　美好得太不真實
　　
　　花費40億元、耗時13年建造的世界上最大也是能量最高的激光系統(tǒng)——美國國家點火裝置(NIF)即將啟動!在一兩年內(nèi)，NIF的192束激光會聚集在一個比胡椒粒還小的靶丸上。來自激光束的能量會擊碎靶丸的核心，在如此強大的能量下，靶丸里的氫燃料會發(fā)生聚變并釋放能量，如同一個微型氫彈。
　　此類技術(shù)以前實驗過，并取得過成功。但在第一次嘗試中，科學(xué)家為了成功實現(xiàn)氫同位素的聚變，泵入激光器的能量都必須遠大于反應(yīng)放出的能量才行。這一次實驗不同，靶丸中心發(fā)生爆炸釋放的能量將大于激光束注入的能量。理論上，多出來的能量可以收集起來用于發(fā)電。這種燃料的原材料可以在普通海水中找到，而且不會排放倒可廢氣和核廢料。這就像把—顆恒星裝進地球上的機器里面，讓它發(fā)光發(fā)熱發(fā)電。它將滿足人類對能源永無止境的渴求，直到永遠。
　　世界其他地區(qū)也已開始建造核聚變裝置，如耗資140億美元在法國南部卡達拉什附近建造的國際熱核聚變實驗堆(ITER)。ITER不依靠激光進行約束，而是利用超導(dǎo)磁線圈產(chǎn)生的磁場將氫的同位素約束在一起，并把它們加熱到1.5億攝氏度，相當于太陽表面溫度的2.5萬倍。科學(xué)家預(yù)期，這個實驗獲得的能量也將超過輸入的能量。另外，跟激光系統(tǒng)間歇式的爆炸能量不同，磁場將能約束等離子體長達幾百秒，產(chǎn)生持續(xù)的聚變反應(yīng)。
　　自核時代開啟以來，人們就熱衷于駕馭恒星內(nèi)部的核反應(yīng)過程，讓它們?yōu)槲覀兯谩Ｔ谶@一進程中，NIF和ITER將成為里程碑式的事件。然而瞬間點火也許只是當中最簡單的部分。在經(jīng)驗豐富的核聚變科學(xué)家中，越來越多的人認識到，建造和運行一個聚變核電裝置將比在裝置中成功點火困難得多。一些沒有直接參與聚變研究的物理學(xué)家甚至懷疑這項技術(shù)在理論上是否可行。一個可以運行的反應(yīng)堆將由能夠連續(xù)幾年抵擋數(shù)百萬攝氏度高溫的材料建成，它必須經(jīng)受高能核粒子的轟擊，而普通材料在這種情況下會變得易碎并帶有放射性：這個反應(yīng)堆還必須經(jīng)過一個復(fù)雜的增殖過程，以產(chǎn)生自己所需的核燃料；如果要為電網(wǎng)提供有用的電能，它還必須穩(wěn)定可靠，不能出現(xiàn)斷電、跳閘和災(zāi)難性事故，并能夠持續(xù)運行幾十年。
　　假如有一天科學(xué)家能在可控條件下催化核聚變，世界能源危機將不復(fù)存在。核聚變的燃料非常豐富：氘可以從普通海水中提取，氚可以在反應(yīng)堆中生成。跟普通的裂變反應(yīng)堆不同，聚變不會產(chǎn)生長壽命放射性副產(chǎn)物——也就是人們俗稱的核廢料。在理論上，一加侖約3.8升的重水產(chǎn)生的能量能與—艘超級油輪載滿的石油相當，而且只排放少量氦氣。你將得到一種隨處可見、干凈清潔且儲量無限的能源燃料，這簡直美好得太不真實了。
　　事實確實沒那么簡單。20世紀50年代初，美國普林斯頓大學(xué)設(shè)計了“仿星器”，這是聚變反應(yīng)堆的第一種設(shè)計方案。根據(jù)當時的估計，仿星器可以產(chǎn)生1.5億瓦特的電力，足夠15萬戶家庭使用。設(shè)計基于一個事實：在核聚變所需的高溫下，所有電子將會從自己所處的原子中剝離出來。這種形式的帶電粒子“湯”被稱為等離子體，能夠用磁場約束。仿星器本質(zhì)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，研究人員并沒有全面了解等離子體的行為。他們很快就非常失望地發(fā)現(xiàn)，等離子體表現(xiàn)得一點兒也“不好”。設(shè)想握住一個柔軟的大氣球，用力把它擠壓到最小。不管你用的力有多么均勻，氣球總是會從手指之間的縫隙鼓出來。同樣的問題也適用于等離子體。每當科學(xué)家想把等離子體壓縮到一個足夠緊致的小球去誘導(dǎo)聚變，它們都會找到一絲縫隙從旁邊噴射出來。這是所有類型的聚變反應(yīng)堆都要面對的一個矛盾——等離子體溫度越高、壓縮越緊致，要控制它也就越困難。
　　
　　巨大的謊言?
　　
　　無論你用什么方法來啟動核聚變，上兆焦耳的激光器也好，磁場約束等離子體也好，反應(yīng)產(chǎn)生的能量都將以中子流的形式釋放出來。這些粒子是電中性的，因此不會受電磁場影響。此外，它們還可以徑直穿過最堅固的材料。
　　唯一能讓中子停下來的方法，就是讓中子直接撞擊原子核。然而，這種碰撞往往是毀滅性的。氘氚聚變反應(yīng)釋放的中子能量巨大，可以擠掉鋼鐵等通常比較堅固的物質(zhì)中原子的位置。隨著時間推移，這些猛烈撞擊會逐漸削弱反應(yīng)堆，使結(jié)構(gòu)部件變得脆弱。另外一些時候，中子會把良性材料變成放射性物質(zhì)。一個中子擊中原子核時，原子核可以吸收中子，變得不穩(wěn)定。一個穩(wěn)定的中子流會使任何普通容器帶上危險的放射性，哪怕這些中子來自于像核聚變一樣“清潔”的反應(yīng)。
　　通過核聚變發(fā)電離我們還非常遙遠，還有多個難關(guān)等待科學(xué)家去挑戰(zhàn)。我們不妨假設(shè)，到2050年，一切都已準備就緒。NIF和ITER大獲成功，按預(yù)定時間在規(guī)定預(yù)算內(nèi)成功實現(xiàn)了預(yù)期的凈能量增加目標值。物理學(xué)家在給每個系統(tǒng)提高能量的過程中，大自然也沒有再設(shè)置什么意外，一向不受拘束的等離子體也如預(yù)期般被乖乖馴服。一個獨立材料研究機構(gòu)也已經(jīng)演示了一個既能產(chǎn)生氚、又能將中子轉(zhuǎn)換成電能的包層，而且它也能夠承受在核聚變電站中日常使用給原子內(nèi)部帶來的巨大壓力。再假設(shè)，建造一座可運行聚變電站的預(yù)計成本只需100億美元。這還會是一個劃算的選擇嗎?即使對于那些花了畢生精力去追求核聚變能源之夢的研究人員來說，這也是個難以回答的問題。問題在于，跟普通的裂變電站一樣，聚變電站也要生產(chǎn)基荷電力。也就是說，為了收回高昂的初始成本，這些核電站必須一直不停地運行。對于任何一個前期投資巨大的系統(tǒng)，你總會想讓它24小時不停地運行，而且你后期的燃料成本很低。
　　不幸的是，要讓等離子體在任何可觀時間段內(nèi)保持狀態(tài)都非常困難。到目前為止，反應(yīng)堆能維持聚變等離子體的時間都不超過1秒。ITER的目標是讓等離子體燃燒維持數(shù)10秒。距離讓它24小時不停運行，還有很長的路要走。我們過去一直片面地看待聚變。它不同于骯臟的化石燃料和危險的鈾。它那么純凈和美好，可以一勞永逸地解決我們對能源的需求。它是人類有可能獲得的宇宙中最接近完美的東西。現(xiàn)在這些想法正在改變。聚變只是一種可以選擇的能源，還需要經(jīng)過幾十年的研究才能產(chǎn)生成果。點火裝置或許即將實現(xiàn)，但無限能源時代并未到