全世界科學(xué)家都在等待那一刻。
上百條高強(qiáng)激光束同時(shí)“開(kāi)箭”，射向一個(gè)由氘和氚兩種氫原子組成的“燃料球”靶件。
“中箭”的靶件將瞬間達(dá)到上億攝氏度的高溫，引發(fā)氘和氚初始的聚變反應(yīng)，產(chǎn)生熱能會(huì)維持接下來(lái)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
如同燒柴一樣，火點(diǎn)著了，柴就會(huì)自行燃燒下去。
這場(chǎng)備受期待的“燃燒”可不是誰(shuí)家的鍋爐灶臺(tái)，而是一臺(tái)代號(hào)為“W7-x”的 “仿星器”（Stellarator）。
作為核聚變反應(yīng)研究設(shè)備，它更為人知的名字是“人造太陽(yáng)”。太陽(yáng)的光和熱都從熱核聚變反應(yīng)而來(lái)，如果人類效仿這個(gè)原理，制造一個(gè)“可控”的“太陽(yáng)”，就有望為解決地球能源危機(jī)找到新的出路。
此刻，W7-x正待在德國(guó)馬克斯·普朗克研究所（簡(jiǎn)稱“馬普所”）的大型實(shí)驗(yàn)室里，一邊接受最后的檢測(cè)，一邊等待德國(guó)核能源管理部門批準(zhǔn)它的下一步行動(dòng)。
如果一切順利的話，就在本月內(nèi)，它將成為核聚變能量可控使用研究領(lǐng)域的一顆新星，照亮人類的能源出路。
這個(gè)身價(jià)10億歐元的“高富帥”能耐得住1.5億攝氏度高溫
在德國(guó)東北部城市格賴夫斯瓦爾德，W7-x靜靜趴在實(shí)驗(yàn)室一角。
它高3.5米、寬約16米，看起來(lái)像個(gè)扭來(lái)扭去的大圓環(huán)，銀色的表面坑坑洼洼，布滿大小不一、各種形狀的元器件。
這位“高富帥”身價(jià)10億歐元，內(nèi)部有20個(gè)平面磁線圈和50個(gè)非平面磁線圈。
馬普所的工作人員投入了19年、110萬(wàn)個(gè)工時(shí)，到2014年5月才完成了它的建設(shè)。超級(jí)計(jì)算機(jī)給它用上了有史以來(lái)最復(fù)雜的工程模型之一，連焊接都由激光掃描檢測(cè)，組裝精度達(dá)到毫米級(jí)。
費(fèi)這么老大勁，是因?yàn)?W7-x必須扛住極高的溫度和極大的壓力，這些正是核聚變反應(yīng)條件。
核聚變?cè)聿⒉粡?fù)雜：當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量較輕的原子核聚合為一個(gè)較重的新原子核時(shí)，大量電子和中子能夠逃離原子核的束縛，帶來(lái)巨大能量。自然界中最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素——氘與氚的聚變。
實(shí)現(xiàn)這個(gè)原理則需要高溫與高壓，才能讓兩個(gè)原子核相互吸引而碰撞。
這活兒太陽(yáng)自個(gè)兒就能搞定。它的中心溫度高達(dá)2000萬(wàn)攝氏度，自身重力強(qiáng)大，能形成高壓狀態(tài)，使核聚變得以發(fā)生并持續(xù)?？梢诘厍蛏夏M太陽(yáng)，由于引力太小、壓力不夠，核聚變需要在超過(guò)1億攝氏度的溫度下才能進(jìn)行。
在這個(gè)溫度下，任何固體材料都將被熔毀，但超導(dǎo)磁線圈會(huì)用磁場(chǎng)形成“籠子”，讓可怕的“猛獸”——高溫等離子體在有限體積內(nèi)運(yùn)行，完全不與“人造太陽(yáng)”的腔壁接觸。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，W7-x能耐得住1.5億攝氏度高溫，長(zhǎng)達(dá)30分鐘。
身為目前全世界最大、“版本”最新的仿星器，W7-x被研究人員寄予厚望——實(shí)現(xiàn)核聚變能量的可控使用。
人類對(duì)于核聚變能量的使用，是從“不可控”開(kāi)始的。
第二次世界大戰(zhàn)期間，美蘇加快對(duì)核武器的研制。1945年爆炸的首顆原子彈采用了核裂變?cè)恚坏?0年，應(yīng)用核聚變的第一顆氫彈也爆炸了。
這種能量的瞬間釋放會(huì)造成極大的破壞，只能應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)。讓核能釋放長(zhǎng)期、持續(xù)、安全、和平地進(jìn)行，關(guān)鍵就在于核反應(yīng)的可控性。
直到1985年冷戰(zhàn)末期，美蘇元首才共同發(fā)表一份不包含任何實(shí)際承諾的聯(lián)合聲明，結(jié)尾表示“在核聚變能方面進(jìn)行最廣泛的切實(shí)可行的國(guó)際合作”，用核聚變?yōu)槿祟愒旄！?/div>
核裂變的可控性在“曼哈頓計(jì)劃”時(shí)代已經(jīng)解決。1954年，蘇聯(lián)就建成了第一個(gè)核電站。
而從不可控的氫彈爆炸到可控的核聚變能源利用，注定要走一條很漫長(zhǎng)的道路。
核聚變產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)在化石能源與核裂變反應(yīng)之上，且清潔安全
“核聚變讓人著迷。”為“國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆”項(xiàng)目協(xié)調(diào)奔走多年的韓國(guó)科學(xué)家李秀景說(shuō)，“就像中世紀(jì)的人們追尋煉金術(shù)一般，它是能源研究的‘圣杯’。”
地球上的能源危機(jī)早已出現(xiàn)。人口增加、工業(yè)發(fā)展等壓力使能源消耗更加迅速。幾乎所有國(guó)家的發(fā)展都依賴煤、石油、天然氣等化石能源，而其燃燒引發(fā)的溫室效應(yīng)、酸雨現(xiàn)象又對(duì)人類生存環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開(kāi)采，化石資源日趨枯竭。
人們拼命尋找替代能源，并越來(lái)越重視核能的應(yīng)用。當(dāng)前，核電站或核能發(fā)電廠的能量來(lái)源是核裂變，其能量產(chǎn)生過(guò)程與核聚變相反。
1千克鈾-238全部核裂變將產(chǎn)生2萬(wàn)兆瓦小時(shí)的能量，與燃燒至少200萬(wàn)千克煤釋放的能量一樣多。
但核裂變利用有幾個(gè)弊病——原料稀有、資源有限；產(chǎn)生放射性元素、廢料無(wú)法安全處理；最可怕的就是可能產(chǎn)生核泄漏。不少國(guó)家現(xiàn)在已經(jīng)著手限制和縮減核電站。
前美國(guó)能源部首席科學(xué)家雷蒙德·奧巴赫曾表示，自己對(duì)世界未來(lái)的能源需求感到驚恐：“從哪兒弄這么多能源？”
在研究者眼中，核聚變是滿足世界能源需求的唯一希望，是一顆能源新星。
據(jù)計(jì)算，1千克氫燃料經(jīng)過(guò)聚變反應(yīng)，至少可以抵得上4千克鈾燃料或1000萬(wàn)千克優(yōu)質(zhì)煤燃料。
比起稀少的核裂變?cè)?，每升海水中就含?.03克氘，總計(jì)45萬(wàn)億噸。它們都聚變的話，能保證人類上百億年的能源消耗。
無(wú)論反應(yīng)前后，核聚變需要的和產(chǎn)生的都是無(wú)害元素，清潔安全。氘的提取方法也比較簡(jiǎn)便，成本較低。
“核聚變不會(huì)釋放二氧化碳，基本上取之不盡用之不竭，還不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響……你還能找到比它強(qiáng)的嗎？”雷蒙德·奧巴赫說(shuō)。
只要將氘、氚原子注入反應(yīng)堆密封裝置，再進(jìn)行“點(diǎn)火”，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，核聚變產(chǎn)生的溫度就足夠令原子核繼續(xù)發(fā)生聚變。在這個(gè)過(guò)程中，只要氦原子核和中子被及時(shí)排除，輸入新的氘氚混合氣，核聚變就能持續(xù)下去。產(chǎn)生的能量一小部分留在反應(yīng)體內(nèi)，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，大部分可以輸出，作為能源來(lái)使用。
這幅和諧的畫面始終吸引著各國(guó)科學(xué)家。盡管質(zhì)疑者們常常開(kāi)玩笑說(shuō)，這項(xiàng)奇跡永遠(yuǎn)都是“還要再等30年”，但支持者們堅(jiān)信，人類離這樣一個(gè)清潔而且?guī)缀跏菬o(wú)限的能源已經(jīng)越來(lái)越近。
在艱難的準(zhǔn)備工作后，“人造太陽(yáng)”終于完美通過(guò)檢測(cè)，等待點(diǎn)火
在近乎完美的理論架構(gòu)之下，可控核聚變的實(shí)際研究進(jìn)程經(jīng)歷了難以想象的坎坷艱難。
在得到世人矚目之前，W7-x的星路并不平坦。
目前，最常見(jiàn)的核聚變反應(yīng)堆設(shè)備并不是W7-x所代表的仿星體，而是與它十分相似的兄弟——托卡馬克（Tokamak），同屬“國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆”項(xiàng)目。
項(xiàng)目設(shè)立之初，美國(guó)、蘇聯(lián)、日本和歐洲共同參與，體量龐大，運(yùn)用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)。在之后的幾十年里，盡管成本翻倍、設(shè)備制造協(xié)作不暢、完工日期一拖再拖，但科學(xué)家們還是往前走了一大截。
然而，比起W7-x，托卡馬克裝置設(shè)計(jì)存在一些安全風(fēng)險(xiǎn)，有可能釋放強(qiáng)大的磁場(chǎng)力擊毀整個(gè)反應(yīng)堆。這樣的缺陷即使在最新露臉的類球形托卡馬克設(shè)計(jì)中依然存在。
有人認(rèn)為，托卡馬克能夠檢驗(yàn)核聚變是否可行，但它不能證明核聚變是否可以商業(yè)化運(yùn)行。它在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行良好，但電站需要的是簡(jiǎn)單、易維護(hù)。英國(guó)原子能管理局首席執(zhí)行官史蒂文·考利就曾表示，“無(wú)法想象一臺(tái)到處叮叮咣咣的機(jī)器怎么能日復(fù)一日穩(wěn)定工作。”
在科學(xué)家們?yōu)橥锌R克的瓶頸發(fā)愁時(shí)，仿星體W7-x以一匹黑馬的姿態(tài)出現(xiàn)在人們的視野中。
首個(gè)仿星器于1951年在普林斯頓大學(xué)建造，從根本上避免了托卡馬克的問(wèn)題：磁場(chǎng)完全來(lái)自外部線圈，沒(méi)有會(huì)突然中斷的等離子體電流。但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，仿星器對(duì)粒子的有效約束遠(yuǎn)不如托卡馬克。因此，從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，大多數(shù)核聚變研究都聚焦于后者。
2014年5月，在經(jīng)歷了險(xiǎn)遭取消、預(yù)算上調(diào)等重重波折后，W7-x宣告完工。作為一顆“優(yōu)化升級(jí)”的“新星”，從理論上講，它可以在增添安全性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，達(dá)到前輩所具有的一切性能表現(xiàn)。
在過(guò)去一年內(nèi)，這顆“小太陽(yáng)”在各種調(diào)試檢測(cè)中都表現(xiàn)良好。今年7月，它還早于原計(jì)劃進(jìn)行了磁場(chǎng)的電子束測(cè)試。負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的馬普所科學(xué)家表示，一切完美而精確。
真正的最終檢驗(yàn)是點(diǎn)火那一刻?？茖W(xué)家們期待，這顆新星的“燃燒”能照亮他們未來(lái)的研究進(jìn)程。
在探索核聚變可控的道路上，這個(gè)萬(wàn)眾矚目的時(shí)刻也注定只是一簇火花。未來(lái)，它還要滿足人們“民用化、小型化和經(jīng)濟(jì)型”的期待。
有人說(shuō)，幾十年來(lái)的嘗試充分說(shuō)明核聚變是一條死胡同，付出心血的科學(xué)家們卻依然堅(jiān)定。
“我是搞技術(shù)的，只關(guān)注技術(shù)方面的事情，只考慮需要做些什么讓它在未來(lái)發(fā)揮作用。我不會(huì)去說(shuō)花了幾十年才走到這一步。”斯蒂文·考利說(shuō)，“要知道，人類整整用了3000年才會(huì)飛。”
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