|
如果有一種無碳形態的清潔能源可以一周無間斷無限反復地利用，風雨無阻，并且還沒有化石燃料發電廠那么大，那么（世界）將會怎樣呢？這是你有可能感興趣的東西嗎？下面我要講的是聚變能的問題。僅僅簡單地把聚變能源看作未來主要的能源好像是開玩笑，但它的真實前景是什么呢？對我來說，這個話題并不是一種客觀的猜測，我過去35年的職業生涯都在致力于鉆研這種復雜的能源。那么我們的進展如何，未來的目標又是什么呢？淺談核聚變能源 讓我們從最基本的談起。聚變是一種能夠給恒星和行星提供動力的核能形態，通過把輕質元素組合排序變成重元素的方法產生周期表中的元素。聚變的發現為人們解決了一個棘手的問題---光熱的來源。在地理學家算出地球年齡之后，沒有人知道何種機制可以讓太陽保持這么久的熱度。在太陽上，氫可以產生氮，并釋放出一種巨大的能量---比氫用化學方法燃燒所產生能量的一萬多倍。在地球上，我們使用氫的同位素氘作為能源。普通氫的原子核內只有一個裸露的質子，而氘的原子核與之相比多了一個中子。從10加侖水中提取出的氘大約重1/10盎司。它所提供的電量足夠一個普通的美國消費者用15年，而水的儲量則是非常大的。 聚變反應的速度是非常緩慢的，只有燃料被加熱到無法想象的高溫狀態時聚變反應才會發生。在那個階段，作為燃料的原子內的電子都會從它們的原子核中被剝離出來，氣體變成了一個等離子體，也就是物質的第四態。聚變能源在商業領域里最有前途的發展方向，是利用強大的磁場使這種灼熱的等離子體與它附近的材料墻隔離開。利用這些技術，我們已經獲得了必要的等離子體密度和超過3億度的高溫。這個溫度比太陽中心的還要高。迄今為止，實驗已經生產出了高于太陽核心溫度的高溫，并且他們生產出的核能已經彌補了其所消耗的能源。而且，只靠簡單的擴大規模就會收益凈能產出。由包括美國在內的國際財團正在建設的ITER實驗，其目的就是為了收益凈能。 聚變能源的優勢要遠遠超出多種燃料。每個人對無碳資源的需求當然都是顯而易見的，而且在減少化石燃料使用的同時也免除了許多污染物的危害，如采礦、精煉和運輸所帶來的污染。聚變能是如何成為像風能和太陽能這樣的可替換能源的呢？聚變能源將在許多大型中心發電廠里提供電能，很輕易的取代其它能源通過燃燒所產生的能量。因此它可以在任何天氣下都整日運行，免除對昂貴的能源存儲系統或電網改造的需求。不同于所推薦的生物質能形式，聚變不會大量占用土地和水源----不會和農作物爭奪這些寶貴的資源。 那么我們如今正在利用的核能資源—裂變能是什么樣子的呢？裂變和聚變可以說很多優勢上的一致。但是裂變帶來了一些嚴重并且明顯的危險，裂變能發電廠通過足夠的濃縮鈾來運行一兩年。其高放射性的副產品累積起來，可以產生出一種極大的熱量，而且這種熱量是無法熄滅的。最近發生在福島的災難就是如此。當地震和海嘯破壞了發電廠以及所有用來運行冷卻泵的電力資源時，反應堆芯熔化并把放射性物質排放到空氣中，這些放射性物質中的一部分具有化學揮發性和生物活性----它們能穿過環境局限在生物體內累積起來。與此相反，聚變反應堆在任何時間的燃燒都不會超過幾秒鐘------反應堆芯是沒有辦法熔化的，組成聚變反應堆的金屬裝置隨著時間的流逝會產生輕微的放射性，此時則需要進行隔離。但是大約在百年之后，這些材料可以循環再利用或者埋起來----不需要進行永久性的廢物處置。 也許地球上的核裂變產業最令人恐懼的一個方面就是核擴散危機，反應堆燃料的鈾濃縮技術與一枚炸彈制造技術在很大程度上是相同的（也因為如此，我們很關注伊朗核武器項目）。此外，反應堆生產出的钚元素中只有很小一部分能夠用于制造核武器。相比之下，聚變的核擴散危機就很微小而且易于探測。聚變能源幾乎不會對公眾的健康，財產或水源造成危害，同樣也不會威脅到社會。 聚變能是經濟學家所謂的“外部成本”中的大贏家。這里的成本主要是指，由社會作為一個整體而負擔的成本，以及不把生產成本作為其因素的成本。那么，為什么我們不靠聚變能源來管理我們的家園呢？這是因為它操作起來很難。在1970到2000年間，我們實現了一些戲劇性的突破和許多慢中求穩式的進展，聚變能是靠一萬億次脈沖聚變實驗累積而產生的，其計算能力也在同時期僅靠一個因素就增加了大約一百多萬倍。當然，半導體產業可以通過銷售單個晶體管來獲益，但是聚變能只有到了全面利用的程度時才能獲益。在這一領域進行研究的科學家們認為，可以建造一座聚變反應堆來生產出更多的能量。但是最后，聚變能是否可以具有成本競爭力并且可以依賴，這依然是一個有待解決的問題。 那下一步該怎么走呢？掌握聚變能這一戰略已人盡皆知，但是這得花費一些時間和金錢。ITER實驗需要結題并投入實施，你將會看到有關成本超支和無法如期完成任務這樣的信息----這是因為跨國管理滯后且效率低下。如果一個國家考慮自主研發，那么進度就會加快而且成本也會有所降低。但是沒有國家會這么做，我們不得不依靠我們已獲取的能源來生存。我們需要學習了解更多的關于熱等離子體、它與材料表層的互相作用以及聚變環境下結構材料方面的知識。聚變絕非輕而易舉，但是我們需要考慮其成本----就單美國而言，其每年為了開發能源的直接支出大約是1.5萬億美元，約占美國經濟的10%，而我們用于聚變能的研究的費用則少于0.03%。通過合理水平的投資，未來的能量來源才真的有可能是未來的能源。 翻譯：花看半開 校對：深水雙魚 翻譯貼：http://www.fanyitie.com/kexue/s1407.html |
