激光核聚变

百年百篇经典科普[电子书]

邓锡铭雷仕湛

在今天的世界上,随着人们对能源需求量的急剧增长,能源问题引起了各国的高度重视。科学家们纷纷进行研究和试验,寻找新的能源。在探索新能源的道路上,人们从太阳能那里受到了启示。很早以前,人们就注意到,太阳能够千秋万代连续不断地放出那么巨大的能量,但究竟烧的是什么燃料呢?科学家们经过长期的研究和探索,终于揭开了这个谜。原来,太阳那用之不竭的能量,是由氢的同位┧亍—氘或者氚所进行的核聚变反应得来的。所谓核聚变反应,是指原子量较轻的原子核聚合在一起,变成原子量较重的原子核的过程。这种核聚变反应过程能够释放出巨大的能量。

根据计算,一克氘原子核聚变成氦原子核的时候,将产生10万千瓦小时的能量。这大约相当于20吨优质煤燃烧后所放出来的热量。全世界的海洋中,含有20多万亿吨的氘,如果全部用来进行核聚变反应的话,将给人类提供一种几乎是取之不尽的新能源。即使全世界的能源需要量再增加1千倍,这种新能源也足够人类用上1亿年。另外,这种聚变反应,同铀原子核裂变反应相比,有许多优点。比如,它不会产生大量的放射性污染物,所以人们叫它是一种“干净”的能源。再有,这种核燃料只烧上一点点,就可以得到巨大的能量,这就大大减轻了燃料运输的负担,节约了运输费用。

有了核燃料,怎样烧它呢?这可不是一件轻而易举的事。首先碰到的是点火温度的问题。大家知道,普通的木柴、煤炭、石油这样一些燃料的燃烧过程,实际上是它们所含的碳或氢元素和空气中的氧发生化学反应的过程,这种反应所需要的温度相对来说并不高,大约只有几百度,常常只要划一根火柴就能够使它们燃烧起来。

核燃料的“燃烧”就不那么容易了。要使核燃料“烧”起来,需要上亿度的高温,这就是所说的热核点火温度。上亿度的高温,目前只有在原子弹爆炸的一瞬间才能获得。由于这种瞬间反应人们无法控制,所以不能用来作为持续能源,于是科学家们又开始探索能够获得上亿度的持续高温的点火方法。

激光技术开阔了人们的眼界,很快被设想为核燃料的“点火器”。我们知道,激光的突出特点之一,是它具有极高的亮度。打个比方说,用一块透镜把太阳光聚集起来,在焦点区域,可以点燃一根火柴。光束的亮度愈高,焦点的光斑就愈亮。目前的激光技术,已经发展到这样的程度:一束强激光比太阳光还要亮一亿亿倍以上。如果把核燃料氘和氚做成固体微型小球,这种小球的直径只有百分之一厘米,比芝麻粒还要小得多。然后用激光去照射它,就可以使微型小球加热到上亿度的高温,它所产生的能量密度高达每立方厘米一千万亿焦耳。这样高的能量密度,相当于几十万吨梯恩梯炸药集中在一立方米的体积内爆炸时所产生的能量密度,达到了原子弹爆炸时所得到的超高能量密度的数量级,也就是说已经有可能达到热核点火温度。

但是,要使核燃料充分“燃烧”,需要一定的时间,在这段时间里,小球又会因超高温加热而迅速膨胀起来,结果使氘或者氚的密度很快变稀,核反应速度大大下降。因此,要使核燃料在上亿度高温下充分燃烧,就必须保持氘、氚原子足够高的密度和在上亿度高温下维持这种密度一定的时间,使在聚变反应中获得的核能,大大超过加热时所用掉的能量。按照通常的固态氘和氚的密度来估计,它要求激光器能在一亿分之一秒的时间内产生10亿焦耳的能量,才能达到上面的要求。这样高功率的激光器,六十年代初期的技术水平是达不到的。那么,能不能降低对激光器高能量的要求,来实现这种核聚变反应的点火呢?科学家们认为通过提高氘和氚的原子密度,可以降低对激光器高能量的要求。理论计算指出,如果把普通条件下的固体氘、氚的原子密度提高一千到一万倍,对激光器的能量要求就可以降低近百万倍,考虑到实验条件的不完善因素,估计一万到10万焦耳数量级的激光能量,就可能实现核点火。从当前的技术水平来看,这样的激光器是完全可以研制出来的。可是又遇到一个新课题,即怎样才能做到大幅度地提高氘或者氚原子密度的问题。根据理论计算,如果把固体的氘、氚密度提高一千倍到一万倍,就需加上一千亿到一万亿个大气压的超高压力,对氘、氚材料进行压缩。怎样才能获得这样高的压力呢?人们发现,把高功率的激光来聚焦以后,可以产生一百万到一千万个大气压的光压力,但是,这仍然达不到所要求的条件。向心压缩概念的出现,给激光核聚变提供了新的可能性。

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