太阳每分每秒都在发生着核聚变(Nuclear Fusion),在这一过程中,两个质量较小的原子核通过融合而发生质量亏损,从而转化为巨大的能量(根据爱因斯坦著名的质能转换公式 E=mc2)。科学这把双刃剑让人类既可以实现氢弹爆炸这类不受控核聚变,也可以制造出仿星器(Stellarator)等可控核聚变装置,以获得我们亟需的新能源。
德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所(Max Planck Institute for Plasma Physics)于近日成功开启了世界上最大的仿星器反应堆“Wendelstein 7-X”(简称“W7-X”),这个被称为“人造太阳”的装置将来或许能为人类带来无穷尽的廉价清洁能源。
W7-X 项目共投资10亿欧元。始于2005年的这一计划经历了一些波折,直到今年10月才宣告建成。12月10日,W7-X 通过对惰性气体氦气进行加温,制造出了氦等离子体(气体持续受热后,分子分解为原子并发生电离,形成由离子、电子和中性粒子组成的物质形态,称为等离子体;详见“端百科”),并持续了十分之一秒。
我们从惰性气体氦气开始制造等离子体,明年我们才会换成真正的研究对象——氢等离子体,因为将氦气变成等离子体更为容易,我们还能用氦等离子体清洁容器表面。
实现对超高温等离子体的长时间约束是核聚变反应堆设计最重要的一环,因为这意味着可以控制核聚变的开始和停止。目前常用的托卡马克装置(Tokamak)以环形封闭磁场约束等离子体来实现受控核聚变;与之相比,W7-X 安全性更高,并且每次可连续约束超高温等离子体长达30分钟,是前者的数倍。
核聚变已成为解决全球能源问题的主要选择之一,它比目前核电站普遍使用的核裂变(Nuclear Fission)技术产生的核废料更少,放射性也会在短期内消失。从原料上来看,以氢的同位素氘和氚进行的核聚变反应,其原料可直接取自海水,几乎可以说是“无穷无尽”。
不过,人类要想有效利用这种能量,必须能合理控制核聚变反应的速度和规模。此外,触发其反应必须消耗巨大的能量(加热至1亿摄氏度),因此如何让这种能源生产方式真正地产生效益,也是科学家们最亟需解决的问题之一。