1938年,物理學(xué)家漢斯·貝特意識(shí)到,太陽(yáng)中心的壓強(qiáng)必定非常巨大,足以克服通常情況下會(huì)讓帶有同種電荷的離子相互分離的排斥力,而把一個(gè)個(gè)氫原子核擠壓在一起,并發(fā)生反應(yīng),釋放巨大能量。貝特寫(xiě)出了氫離子聚變的4步鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。反應(yīng)最終產(chǎn)物的質(zhì)量略低于反應(yīng)前各成分質(zhì)量的總和,“消失”的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成能量(根據(jù)愛(ài)因斯坦的E=mc2公式)提供給太陽(yáng)。
雖然從理論上講,一加侖(3.8升)重水(氧化氘)能夠產(chǎn)生的核聚變能量與一艘超級(jí)油輪載滿(mǎn)的石油相當(dāng),而且反應(yīng)后的剩余物質(zhì)僅是少量氦氣,但事實(shí)卻遠(yuǎn)非如此簡(jiǎn)單。20世紀(jì)50年代初,美國(guó)普林斯頓大學(xué)教授萊曼·斯皮策設(shè)計(jì)了“仿星器”,提出了聚變反應(yīng)堆的第一種設(shè)計(jì)方案。根據(jù)斯皮策當(dāng)時(shí)的估計(jì),他的仿星器可以產(chǎn)生15萬(wàn)千瓦電力,足夠15萬(wàn)戶(hù)家庭使用。他的設(shè)計(jì)基于一個(gè)事實(shí):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(lái),形成帶電粒子“湯”,后被稱(chēng)為等離子體,可以用磁場(chǎng)約束。斯皮策的仿星器本質(zhì)上就是一個(gè)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(wàn)攝氏度的高溫。可惜,當(dāng)時(shí)斯皮策以及和他一起研究的科學(xué)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(lián)科學(xué)家安德烈·薩哈羅夫設(shè)計(jì)了托卡馬克用來(lái)約束等離子體。到了1969年,西方科學(xué)家前往莫斯科研究薩哈羅夫設(shè)計(jì)的托卡馬克。他們發(fā)現(xiàn)它產(chǎn)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(kāi)始成為約束核聚變研究的主流。控制核聚變產(chǎn)生的高能量等離子,并讓其為己所用便成為了人類(lèi)研究核聚變的最早方法。在此后的60年里,科學(xué)家努力用越來(lái)越強(qiáng)大的磁瓶去馴服等離子體。每次物理學(xué)家提出一個(gè)改進(jìn)裝置去前出現(xiàn)的問(wèn)題,都會(huì)在更高的能量狀態(tài)下遇到各式各樣的新問(wèn)題。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室核聚變項(xiàng)目前主管、美國(guó)ITER技術(shù)咨詢(xún)委員會(huì)現(xiàn)任主席查爾斯·貝克說(shuō):“無(wú)論你對(duì)它們做什么,等離子體總是會(huì)有一點(diǎn)不穩(wěn)定。”
難以馴服的等離子體讓科學(xué)家們不斷受挫,但同時(shí)也讓他們萌生了另辟蹊徑的想法。20世紀(jì)70年代能源危機(jī)發(fā)生時(shí),通往核聚變的另一條平行的研究計(jì)劃也誕生了,科學(xué)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(wèn)題。這些技術(shù)用許多束激光去壓縮和加熱一個(gè)由氘和氚構(gòu)成的靶丸。這項(xiàng)研究在美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室展開(kāi),一開(kāi)始使用的只是一個(gè)能夠發(fā)出兩束激光的簡(jiǎn)單試驗(yàn)臺(tái)。激光功率的提升使試驗(yàn)設(shè)備不斷升級(jí),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(shí)驗(yàn)室自己保持的、激光核聚變最強(qiáng)大爆炸的世界紀(jì)錄,但是跟磁約束一樣,它們?nèi)匀粵](méi)能達(dá)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(diǎn),利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室需要一種新激光器,激光功率要在過(guò)去的基礎(chǔ)上再提高70倍。到了1997年,新激光器開(kāi)始建造,這就是美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)。NIF于2009年5月建成完工,轟動(dòng)一時(shí)。今年晚些時(shí)候,NIF將開(kāi)始氘-氚聚變實(shí)驗(yàn),這將是人類(lèi)探索核聚變的又一個(gè)重要里程碑。
雖然ITER的聚變?cè)硪缬贜IF,但似乎項(xiàng)目進(jìn)展卻落在了NIF之后。據(jù)《自然》雜志報(bào)道,預(yù)計(jì)在2019年ITER核聚變裝置將完成建設(shè),比預(yù)期的要晚1年,比NIF晚了整整10年。而第一次ITER氘-氚聚變?cè)囼?yàn)則計(jì)劃在2026年進(jìn)行,比NIF要晚15年左右。
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