日前，被譽(yù)為“人造太陽(yáng)”的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)完成了首次綜合點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)——192束激光系統(tǒng)發(fā)射的能量打造出600萬(wàn)華氏度高溫，這相當(dāng)于恒星或大行星核心的溫度。NIF作為全球最大的激光核聚變裝置，從1997年開(kāi)始建造起已經(jīng)花掉了納稅人35.5億美元(約合人民幣235億元)。研究人員不惜代價(jià)不僅為了研究如何“駕馭太陽(yáng)的能量”，這個(gè)計(jì)劃還承載著人類的清潔能源之夢(mèng)。

目標(biāo)靶室由厚達(dá)10厘米的鋁板制成

工人向目標(biāo)靶室內(nèi)裝填“人造太陽(yáng)”的核心裝置

在加利福尼亞州利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，一座神秘的建筑物仍在修建中。過(guò)去十多來(lái)年，這個(gè)龐大的建筑物一直是環(huán)保主義者關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，11月2日，這里進(jìn)行的一次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)震動(dòng)了科學(xué)界。因?yàn)樽鳛槭澜缟系谝粋€(gè)能產(chǎn)生持續(xù)核聚變的反應(yīng)堆，“人造太陽(yáng)”一旦成功將改寫(xiě)人類的歷史。

地球上造“小太陽(yáng)”

現(xiàn)今人類可利用的最大、最具商業(yè)價(jià)值的能源無(wú)疑是核能。核電站利用核能的原理是核裂變，即在高溫高壓狀態(tài)，把鈾或钚等重原子分裂成輕原子，導(dǎo)致其釋放大量能量的核反應(yīng)方式。但是國(guó)家點(diǎn)火裝置利用核能的方式則反其道而行之，不是核裂變，而是核聚變。核聚變是指由質(zhì)量輕的原子，主要是指氘或氚，在高溫高壓下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱就是利用核聚變產(chǎn)生的能量。

與核裂變相比，核聚變不僅安全，而且相對(duì)環(huán)保。利弗莫爾國(guó)家點(diǎn)火裝置曾對(duì)媒體說(shuō)：“太陽(yáng)產(chǎn)生的光和熱抵達(dá)地球，不會(huì)產(chǎn)生任何放射性的副產(chǎn)品，而且能長(zhǎng)期高效的生產(chǎn)。如果把太陽(yáng)換成我們正在研究的核聚變反應(yīng)堆，就等于在地球上建造了一個(gè)提供清潔能源的小太陽(yáng)。”

釋放1.3兆焦耳能量

目前，這個(gè)“小太陽(yáng)”已經(jīng)初具規(guī)模，并且已經(jīng)進(jìn)行了令人鼓舞的試驗(yàn)，獲得了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利弗莫爾國(guó)家點(diǎn)火裝置的一個(gè)科研組說(shuō)，11月2日他們向核聚變反應(yīng)堆中心發(fā)射192束激光束，用它們瞄準(zhǔn)一個(gè)只有花生大小卻包含氘和氚氣體的小球體。這個(gè)小球體釋放的能量高達(dá)1.3兆焦耳，其核心最高溫度大約是600萬(wàn)華氏度。

國(guó)家點(diǎn)火裝置主管愛(ài)德華·摩西說(shuō)，盡管這次試驗(yàn)沒(méi)有能夠達(dá)到太陽(yáng)中心溫度2700萬(wàn)華氏度，也沒(méi)有引發(fā)期待中的持續(xù)性核聚變反應(yīng)，但這些試驗(yàn)結(jié)果依然非常振奮人心。摩西還稱，美國(guó)科學(xué)家有決心在2012年實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

意義

“人造太陽(yáng)”研究惠及后代

要想實(shí)現(xiàn)核聚變?nèi)紵紫缺仨汓c(diǎn)燃由氫的同位素氘和氚構(gòu)成的特殊燃料。

20世紀(jì)70年代，科學(xué)家開(kāi)始利用強(qiáng)大的激光束進(jìn)行試驗(yàn)，壓縮和加熱氫的同位素，使其達(dá)到熔點(diǎn)，這一技術(shù)被稱作慣性約束核聚變。激光發(fā)射器的作用就是促使這種核聚變快速和持續(xù)產(chǎn)生，包含氘和氚氣體的目標(biāo)物受到外部的刺激后，將發(fā)生爆炸形成沖擊波，進(jìn)一步加快目標(biāo)物核心的燃燒，這種燃燒的持續(xù)性也更長(zhǎng)。

一旦這種核聚變成現(xiàn)實(shí)，國(guó)家點(diǎn)火裝置內(nèi)靶室的溫度會(huì)超過(guò)1億華氏度，內(nèi)部壓力將超過(guò)地球大氣壓的1千億倍。國(guó)家點(diǎn)火裝置主管愛(ài)德華·摩西說(shuō)：“為了在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生核聚變?nèi)紵覀冞M(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的研究。目前利用核聚變或核裂變產(chǎn)生能量的核電站，在過(guò)去50多年已經(jīng)讓發(fā)電量大幅增加，但迄今仍未證明利用氘和氚氣體融合后持續(xù)燃燒產(chǎn)生能源的方法可以投入使用。”因此摩西說(shuō)，“人造太陽(yáng)”試驗(yàn)的意義不言而喻，“一旦我們掌握了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)內(nèi)部核聚變的技術(shù)，我們的子孫后代將享受到科技發(fā)展帶來(lái)的飛躍，能源短缺的時(shí)代將一去不復(fù)返。”

結(jié)構(gòu)

130噸重目標(biāo)靶室是核心

從上世紀(jì)90年代后期開(kāi)始，利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)始建造“人造太陽(yáng)”，至今整個(gè)計(jì)劃已投入約35.5億美元。11月2日進(jìn)行的綜合點(diǎn)火試驗(yàn)是迄今以來(lái)最成功的一次試驗(yàn)。未來(lái)，還有更復(fù)雜和更具挑戰(zhàn)性的試驗(yàn)在國(guó)家點(diǎn)火裝置里上演。

國(guó)家點(diǎn)火裝置是一棟10層樓高的建筑物，其面積相當(dāng)于三個(gè)足球場(chǎng)。媒體稱，這個(gè)點(diǎn)火裝置是世界上最大的激光科學(xué)建設(shè)項(xiàng)目，因而成為全球“人造太陽(yáng)”試驗(yàn)的中心，承載著人類利用新能源的夢(mèng)想。國(guó)家點(diǎn)火裝置控制室有一套十分先進(jìn)的電腦自動(dòng)控制集成系統(tǒng)，它模仿了休斯敦美國(guó)宇航局的任務(wù)控制中心，被稱為史上科學(xué)儀器設(shè)計(jì)最復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)之一。

國(guó)家點(diǎn)火裝置內(nèi)部設(shè)有130噸重的目標(biāo)靶室，這是“人造太陽(yáng)”計(jì)劃最核心的部分。靶室里的中心孔洞直徑達(dá)10米，用30厘米厚的混凝土掩埋，旁邊有192個(gè)激光器向其中發(fā)射中子，以點(diǎn)燃反應(yīng)堆，并促使包含氘和氚氣體的玻璃物目標(biāo)產(chǎn)生極大的高溫和高壓。

這個(gè)靶室的條件將接近或達(dá)到太陽(yáng)內(nèi)部核聚變反應(yīng)時(shí)的條件。電腦自動(dòng)控制集成系統(tǒng)保證了試驗(yàn)的穩(wěn)定性，因?yàn)?50臺(tái)電腦使激光器發(fā)射激光的間隔不超過(guò)50微秒。

應(yīng)用

世界掀起“人造太陽(yáng)”熱

“人造太陽(yáng)”技術(shù)可行性高、應(yīng)用前景廣闊，實(shí)際上，除了美國(guó)的“人造太陽(yáng)”計(jì)劃，中國(guó)、俄羅斯等世界大國(guó)目前都在研究類似“人造太陽(yáng)”的核聚變技術(shù)。

國(guó)家點(diǎn)火裝置“人造太陽(yáng)”中的核反應(yīng)堆目標(biāo)物是氘和氚，氘可以利用并不復(fù)雜的技術(shù)，從海水里萃取；氚在金屬鋰中存在，鋰則是土壤里的一種常見(jiàn)元素。所以氘和氚在現(xiàn)實(shí)中的開(kāi)采和利用，相比核裂變要使用到的鈾或钚更為簡(jiǎn)單易行。

國(guó)家點(diǎn)火裝置在其網(wǎng)站上對(duì)氘和氚的利用前景作了形象的對(duì)比。他們舉例稱，由于海水中包含氘元素，經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)化，1加侖海水可提供相當(dāng)于300加侖汽油產(chǎn)生的能量，50加侖海水產(chǎn)生的燃料所含的能量，相當(dāng)于2噸煤。“它們很環(huán)保，大規(guī)模應(yīng)用后，可以減少對(duì)化石燃料的使用，從而大大降低碳排放量。”

更為重要的是，氘和氚沒(méi)有鈾或钚那樣劇烈的放射性，未來(lái)使用它們做反應(yīng)堆生成的放射性副產(chǎn)品，也比當(dāng)前核裂變核電站少。

國(guó)家點(diǎn)火裝置的官員估計(jì)，使用核聚變反應(yīng)堆的發(fā)電站將在2020年開(kāi)始運(yùn)行，到2050年將有25%的美國(guó)民用能源由核聚變提供。

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