国际热核聚变研究计划
Luis Migue1 Ariza
国际热核聚变实验反应堆的科学家们依然决心采取核聚变的下一个步骤。
去年11月,在慕尼黑的一次讨论会上,一群欧洲的科学家坚持说,热核聚变发电有可能在50年内变为现实。此外,他们还说,国际热核聚变实验反应堆(the International Thermonuclear Experiment Reactor,简称“ITER”)仍然是正确的下一步。这个充满信心的宣告似乎是在对于称为“托卡马克”——一个科技上令人失望的事物,至少从商业上的观点来看是这样的环形装置中的核聚变来说是不寻常的时机到来的。国际热核聚变实验反应堆一度是一个斥资100亿美元的始于1986年的美国、俄罗斯、欧洲和日本的合作项目,也是打算成为实现自持核聚变燃烧的第一个托卡马克装置。由于对其设计持怀疑态度并担心耗资过大,美国在两年以前退出了这一合作项,俄罗斯由于经济困难,将只提供该项目所需技术人员,而欧洲和日本则仍有可能取消预计的投资。
托卡马克核聚变要依靠诸如氘和氚等一类氢同位素的混合物。超导磁铁负责约束环面中的核燃料,然后,核燃料被加热到1亿摄氏度。混合起来的核燃料变成一种等离子体——由自由电子和电离原子构成的燃料溶液,而氘和氚的原子核则融合而产生出高能中子和α粒子(氦原子)。α粒子加热等离子体;如有足够的α粒子,则它们会使等离子体持续燃烧,并使得氘、氚原子核持续融合,以致该反应堆所产生的能量多于其消耗的能量。然而,迄今为止,还没有一台核聚变反应堆实现了能量产生与消耗的平衡。
国际热核聚变实验反应堆被认为是走向实用核聚变反应堆的前奏曲。然而,人们的怀疑态度愈演愈烈,并在1996年达到了登峰造极的地步,这一年,两位美国物理学家撰文说,原先的国际热核聚变实验反应堆方案将远远达不到其能量产出目标。他们的理由是,在像国际热核聚变实验反应堆这样庞大的装置内,等离子体的涡流会导致热量大量损失。1998年,美国退出了国际热核聚变实验反应堆项目。
面对预算被削减为30亿美元的窘境,国际热核聚变实验反应堆的科学家们只得厉行节约紧缩开支。在去年11月的讨论会上,国际热核聚变实验反应堆总裁罗伯特·艾玛(Aymar)提出了27米高的新的设计方案,预计它将发出400兆瓦的电力。“在历时500秒的一个脉冲内,注入10倍的能量。”他说道。相反,原先的国际热核聚变实验反应堆原定要发电1500兆瓦,且有31.5米高。在发电率削减了的情况下,如同以前的设计一样,该反应堆将不会点燃等离子体。这听起来令人失望,然而“毕竟没有必要点燃。”艾玛说道。“就一台商用核聚变反应堆而言,点燃就是要放大到50倍。”也就是说,所产出的能量要多达注入能量的50倍。他认为,在将放大倍数定为10倍的情况下,国际热核聚变实验反应堆将起到达到上述目标的桥梁作用。
国际热核聚变实验反应堆的支持者举出了一些抱乐观态度的理由。国际热核聚变实验反应堆工作小组联合组长克劳斯·平考(Klaus Pinkau)报告说,被加热的等离子体有着自绝热性能,这种特性会促进等离子体燃烧。此外,其它一些核聚变反应堆也传出了有希望的结果。日本原子能研究所(the Japan Atomic Energy Research Institute,简称“JAERI”)的Hideyuki Takatsu说,截至1998年,“JT60U,即日本最大的托卡马克装置,已达到了相当于能量产耗平衡的状态。”也就是说,如果JT60U采用所含能量更丰富的氘氚混合物而不是仅采用氘,那么想必它就会实现能量产耗平衡。英国的欧洲联合核聚变实验装置(The Joint European Torus,简称“JET”)则已接近能量产耗平衡,其热核聚变得到的能量为16兆瓦,而消耗的能量约为25兆瓦。
涡流会削弱预算削减后的国际热核聚变实验反应堆的热核聚变基础吗?据西班牙能源与技术研究中心国立核聚变实验室(the National Fusion Laboratory of Spain’S center for energy and technology reserch,简称“Ciemat”)的主任卡洛斯·阿莱贾尔德里(Carlos Alejaldre)说,这种情况大概不会发生。阿莱贾尔德里领导的研究小组已在西班牙的TJⅡ仿星器(即八字环管形等离子流箍缩发生器,原文为Stellerator-一译注)上进行了精细的等离子诊断,并且他承认,虽然涡流会导致某种不确定性,但是,“在欧洲联合核聚变实验装置以及其它核聚变装置进行的模拟和实验已使我们相信,国际热核聚变实验反应堆将会实现其既定目标。”阿莱贾尔德里认为,从长远的观点来看,更成问题的是会使该反应堆产生放射性的高能中子。如果没有适当的屏蔽装置,未来的商用反应堆就有可能是不经济的。
对于国际热核聚变实验反应堆的支持者来说,最急迫的问题仍然是政治方面的,例如商定将该反应堆安置在某个国家并弄到充足的资金。在他们看来,美国退出国际热核聚变实验反应堆计划是一个政治上的决定,并且美国之所以对国际热核聚变实验反应堆计划兴趣不大,更多的是因为下述事实——美国有着大量的石油和煤炭储量。Takatsu解释说,日本认为,热核聚变是“一种有利于我国能源安全的选择。我们日本的能源非常有限。”
今年6月,欧洲和日本的机构将就其有关国际热核聚变实验反应堆计划的出资策略作出决定,这有可能决定国际热核聚变实验反应堆计划的进展速度。国际热核聚变实验反应堆有可能在l5年内建成,并有可能在25年内看到结果。然而,显而易见的是,美国的退出使该计划受到了妨害。美国得克萨斯大学(奥斯汀)核聚变研究所(the Institute . Of Fusion Studies at the University of Texas at Austin)所长理查德·海兹尔坦说道“如果这项计划取得了进展,我们会感到高兴。”如果该计划所需资金能在今后两年内筹集到,则他不排斥这种可能——美国会考虑“重新参与。”
由于决定放弃托卡马克核聚变研究,美国削减了拨款,使得普林斯顿大学的托卡马克装置被迫在1997年关闭,并最终导致美国在1998年退出国际热核聚变实验反应堆计划。
[郑忆石/译 冉隆华/校]
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