位于洛斯阿拉莫斯國家實驗室的等離子體線性實驗裝置(PLX)。圖片來源：美國趣味科學(xué)網(wǎng)站
記者 劉 霞
通過把氫原子碰撞在一起，進(jìn)而產(chǎn)生取之不盡、用之不竭的能量，還能實現(xiàn)零排放——這一核聚變過程，被視為能源生產(chǎn)領(lǐng)域的“圣杯”。但幾十年來，這種想法一直都有幾分癡人說夢的味道。
世易時移，隨著科技不斷發(fā)展，在一項充滿未來主義色彩的實驗和幾十支等離子體噴槍的加持下，如今，科學(xué)家們可能向獲得可行的核聚變能邁進(jìn)了一小步。據(jù)美國趣味科學(xué)網(wǎng)站近日報道，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室正在進(jìn)行一項等離子體線性實驗(PLX)，旨在結(jié)合目前兩種核聚變方式之所長，另辟蹊徑，實現(xiàn)可控的核聚變。
能源生產(chǎn)領(lǐng)域的“圣杯”
核聚變的潛力在于，它能產(chǎn)生大量能量。因為每當(dāng)兩個氫原子聚變成氦時，它們中的一小部分物質(zhì)就轉(zhuǎn)化為巨大能量。
聚變能具有資源無限、不污染環(huán)境、不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點，因此一直被視為能源生產(chǎn)領(lǐng)域的“圣杯”。我們賴以生存的太陽和其他恒星一樣，就是一個天然的聚變反應(yīng)堆，幾十年來，人們一直在努力復(fù)制太陽的能量驅(qū)動過程。
所謂知易行難!有關(guān)原理還是很簡單的，但難在實施。核聚變的問題在于，迄今還沒有人知道如何以有效的方式制造出這種能量。
目前，世界上有很多氫聚變炸彈，它們可以在瞬間釋放出全部能量，然后自我摧毀并毀滅周圍的其他一切事物。而現(xiàn)有的核聚變反應(yīng)堆用掉的能量比它們創(chuàng)造的能量還要多。至今還沒有人成功創(chuàng)造出一種可控且持續(xù)的核聚變反應(yīng)，使其釋放的能量超過制造并控制核聚變反應(yīng)的設(shè)施所消耗的能量。
目前兩種主流方法
在實現(xiàn)核聚變方面，目前有兩種主流方法。
其中一種叫做(等離子)磁約束，這也是所謂的托卡馬克核聚變反應(yīng)堆所用的原理。托卡馬克核聚變反應(yīng)堆利用強大的磁體，讓發(fā)生核聚變的原子在機器內(nèi)形成的超高溫高密等離子體處于懸浮狀態(tài)，以維持其持續(xù)進(jìn)行核聚變而不會逃逸。
現(xiàn)在托卡馬克核聚變反應(yīng)堆中規(guī)模最大的要屬國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆計劃(ITER)。這座機器位于法國，重達(dá)2.3萬噸，計劃于2035年竣工。但英國廣播公司在2017年的報道中指出，鑒于該項目一直面臨延期和成本超支等問題，樂觀預(yù)測其要到本世紀(jì)50年代才能竣工。
英國《自然》雜志今年10月中旬報道，英國政府近日宣布，將投資兩億英鎊(2.48億美元)建造全球首個商用核聚變發(fā)電廠，希望到2040年實現(xiàn)核聚變能源生產(chǎn)的商業(yè)化。
英國擬建的核聚變發(fā)電廠“能源生產(chǎn)用球形托卡馬克”(STEP)也將采用托卡馬克設(shè)計方式。不過，ITER的托卡馬克是甜甜圈形狀的裝置;而STEP則將這些超熱的氣體置于更緊湊的蘋果核形狀的裝置中。
第二種方法名為慣性約束。美國能源部下屬的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室內(nèi)名為“國家點火實驗設(shè)施”(NIF)的機器就采用這種方法進(jìn)行核聚變。從本質(zhì)上講，NIF是一個龐大的系統(tǒng)，用于向含氫的微型燃料電池發(fā)射超強激光。當(dāng)激光照射燃料時，氫的溫度會升高，被捕獲在燃料電池內(nèi)部，隨之發(fā)生核聚變。
NIF具備可操作性，但它產(chǎn)生的能量并不比其消耗的能量多。
PLX另辟蹊徑
據(jù)美國物理學(xué)會發(fā)布的一份聲明稱，PLX實驗方法與上述兩種方法略有不同。PLX使用磁體來限制氫，就像托卡馬克核聚變反應(yīng)堆一樣，但讓氫達(dá)到核聚變所需要的溫度和壓力的，是該裝置球形室周圍排列的等離子體噴槍噴射的等離子體熱流，即該方法使用的是等離子體噴槍，而不像NIF那樣使用激光。
美國物理學(xué)會稱，負(fù)責(zé)PLX項目的物理學(xué)家們利用已經(jīng)安裝就位的18支等離子體噴槍進(jìn)行了一些初步實驗。這些實驗為研究人員提供了有關(guān)等離子熱噴流在機器內(nèi)發(fā)生碰撞時行動狀態(tài)的初步數(shù)據(jù)。研究人員們表示，這些數(shù)據(jù)非常重要，因為在解釋等離子體發(fā)生此類碰撞時的行動狀態(tài)這一問題上，目前存在多種互相矛盾的理論模型。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室稱，研究小組希望明年初將剩余的18支等離子體噴槍安裝到位，并在明年底利用全套36支等離子體噴槍進(jìn)行實驗。他們希望，PLX實驗首創(chuàng)的這種方法可讓科學(xué)家們制造出核聚變能量，并且其生產(chǎn)效率具備實用價值。
